Фибросодержащая композиционная смесь для дорожных покрытий
FIBER-CONTAINING COMPOSITE MIXTURE FOR PAVEMENTS

Изобретение относится к сфере дорожно-строительных материалов и может быть использовано в дорожно-строительной отрасли для создания современных асфальтобетонных покрытий.
Асфальтобетонные смеси в зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке покрытия на дороге подразделяют на горячие и холодные. Интерес для заявляемого решения представляют холодные смеси, приготавливаемые с использованием нефтяных дорожных битумов и воды, укладываемые с температурой не ниже +5°С, так как они значительно дешевле остальных смесей и применяются в широком диапазоне климатических и географических широт практически круглый год, за исключением 2-3 неблагоприятных сезонных месяцев в зависимости от региона применения. Холодные смеси обладают тем преимуществом, что  они не требуют специального подогрева при укладке асфальта, чем снижают энергозатраты в дорожном строительстве. Их можно хранить на складах длительный период и перевозить на большие расстояния без риска потери качества или изменения потребительских свойств.
Важными составляющими частями любой асфальтобетонной смеси являются: состав группы наполнителей, которая содержит, как правило – щебень, песок, минеральный порошок (патенты на изобретения RU № 2240333, RU №2232841, RU № 2447035, RU № 2535325, RU № 2310621, CN № 1908069, RU № 2262491, авторское свидетельство SU № 1778100) и состав группы вяжущего.
Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий известны вяжущие, представленные одним видом битума, например, вяжущее из выше названного патента (RU №2232841) и другие.
Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий интерес представляют составные вяжущие, в которые входят жидкие или вязкие битумы с различными модифицирующими добавками:
патент RU № 2535325 - с нефтяным шламом;
патент RU № 2601327 - c петролатумом;
патент SU № 729158 - с эмульгатором в виде смеси натриевых солей и едким натрием;
патент RU № 2183600 - c катионным реагентом "БИЭМ", соляной кислотой, хлоридом кальция, резиновым термоэластопластом РТЭП, фузой (фосфатидным концентратом);
патент RU № 2240333 - с катионным эмульгатором аминного типа, полимерной адгезионной добавкой, соляной кислотой;
патент RU № 2243949 - с катионным эмульгатором “БИЭМ”, поверхностно-активной добавкой КАДЭМ-ВТ, хлоридом кальция, соляной кислотой, неонолом (оксиэтилированным фенолоспиртом).
Такие добавки вводятся в битум для корректировки не только его свойств, но и будущего дорожного покрытия, а именно расширения температурного интервала работоспособности дорожного покрытия, понижения хрупкости, повышения параметров трещиностойкости или стойкости к образованию колеи.
Недостатками представленных выше смесей является увеличивающееся количество компонентов со сложными свойствами некоторых из них и, как следствие, добавление стоимости изготавливаемой смеси.
Небезразлична в асфальтобетонной смеси роль такого компонента для заявляемого решения, как вода, поскольку она влияет на качество смачивания компонентов и определяет характер дальнейших процессов структурообразования в асфальтобетоне. Поэтому привлечённые выше аналоги - водосодержащие битумно-минеральные смеси для дорожных покрытий.
Особый интерес представляют водосодержащие асфальтобетонные смеси для покрытий с волокнистыми наполнителями, которые позволяют получить армированные асфальтобетоны, обладающие устойчивостью в отношении образования пластических деформаций, вследствие чего повышается долговечность дорожных покрытий. В качестве армирующих волокон могут быть использованы различные виды природных, полимерных или синтетических минеральных волокон, например базальтовое волокно (патенты RU №2530812, авторское свидетельство SU № 1778100, RU №2447035, RU №2345966), полиакрилонитрильное волокно (патенты CN №101081725, CN №1908969, DE №3930599), древесное волокно (патент RU № 2262491) целлюлозное волокно (патенты RU №2222559, RU №2500635), асбестовое волокно (патент RU № 2351561), полиамидное волокно (патент RU № 2272795) и другие.
Известна асфальтобетонная смесь (патент RU №2345967), содержащая щебень, битум 4,5÷7% от массы щебня, соляровое масло 20÷25% от массы битума, жирная органическая кислота 8÷16% от массы битума, полиэтиленполиамин 5÷12% от массы битума, наномодифицированная базальтовая микрофибра 1÷3% от массы битума, целлюлозная микрофибра 3÷5% от массы битума.
Известна также фибродобавка в асфальтобетонную смесь (патент CN 101798196), содержащая группу волокон: 15-35% волокон на основе сложного полиэфира, 35-55% древесного волокна, 15-35% ПАН-волокна и 15-35% нейлонового волокна. Общее содержание армирующей добавки составляет 0,3-0,6% от массы смеси.
Однако используемая в вышеописанном патенте смесь волокон содержит волокна из материалов, которые резко ограничивают температуру процесса получения асфальтобетонной смеси, так как температура их плавления или разложения гораздо ниже, чем температура приготовления большинства асфальтобетонов, обычно составляющая порядка 160°C. Тем самым, применение фибродобавки смешанного состава становится невозможным либо малоэффективным.
Известна также смесь для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN 1908069), включающая минеральный наполнитель на основе известняка и битума. Состав дополнительно содержит 0,1-0,5% полого или пористого полимерного волокна с особой сложной формой поперечного сечения. Полимерное волокно представлено волокном на основе сложного полиэфира, ПАН-волокном или композициями из этих волокон.
Однако формирование сложной формы поперечного сечения волокна дополнительно удорожает процесс получения асфальтобетонной смеси без заметного улучшения свойств покрытия.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является асфальтобетонная смесь (патент RU 2465231), которая содержит щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень - 30-70, мелкий заполнитель - 10-65, минеральный порошок - 5-40, битумное вяжущее - 3-15 (сверх 100% от минерального материала), ПАН-фибра - 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала) и углеродное волокно - 0,01-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала). В качестве углеродного волокна смесь содержит мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм и со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна.
Однако слабое адгезионное взаимодействие, как оказалось, на границе раздела волокна и битума из-за отсутствия химических связей связующего с наполнителем приводит к некоторому снижению прочностных характеристик асфальтобетонной смеси.
Задачей заявляемого изобретения является получение холодной водосодержащей смеси для создания асфальтобетонного покрытия с варьируемыми свойствами в зависимости от сезонности и других условий эксплуатации, придающими асфальтобетону устойчивость к влиянию климатических факторов.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что фибросодержащая композиционная смесь для дорожных покрытий включает следующие компоненты при их соотношении, %:
щебень
20-60
минеральный порошок
4-12
вода
3-12
органическое вяжущее
4-12
армирующий материал, состоящий из базальтового волокна плотностью 54-240 текс с длиной нарезки 12-18 мм и полиакрилонитрильного волокна плотностью 0,17-0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм
0,07-0,6
песок
остальное,
при этом органическое вяжущее – составное из двух видов нефтяных
битумов дорожных, в % от общего количества вяжущего в смеси:
одной из марок вязкого битума: БНД 200/300, БНД 130/200,БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с
85-95
одной из марок жидкого медленногустеющего битума:МГ 40/70, МГ 70/130
5-15,
а базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокно при следующем соотношении компонентов от общего количества введенного армирующего материала в смеси, %:
полиакрилонитрильное волокно
60-95
базальтовое волокно
5-40
Технический результат.
Отличительными особенностями предложенной смеси с данным составом является применение вяжущего в виде пары битумов нефтяных дорожных: одной из марок вязкого битума: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок жидкого медленногустеющего битума: МГ 40/70, МГ 70/130, в сочетании с использованием воды и армирующего материала, представленного базальтовым волокном с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм и ПАН-волокном с плотностью 0,17-0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм. Сочетание любой из выявленных и составленных Заявителем пар битумов, представленных выше, с водой и парой базальтового и ПАН-волокна названных видов плотности и нарезки одновременно в одной смеси не известно. Набор компонентов заявляемой водосодержащей асфальтобетонной смеси, среди описанных в литературе и применяемых в промышленности, в заявляемых диапазонах концентраций ранее не описывался и не применялся.
Именно перечисленные отличия заявляемой смеси обеспечивают решение поставленной в изобретении задачи. Кроме того повышается экономическая эффективность.
Последующее изложение материала изобретения выполнено с использованием таблицы 1, в которой представлены результаты испытаний асфальтобетонного материала композита «битум – волокно», проводившиеся при температурах 0°С, 25°С и 50°С .
Проведенные Заявителем исследования по подбору оптимальных количеств входящих в вяжущее битумов и сравнению с существующими композициями вяжущего показали преимущества заявляемого вяжущего в патентуемой водосодержащей асфальтобетонной смеси. Любая из полученных пар битумов, эмпирически подобранных Заявителем, марок вязкого дорожного битума: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок жидкого медленногустеющего битума: МГ 40/70, МГ 70/130, как оказалось, оптимально решают задачу смачивания и образования битумной пленки на поверхности минеральных элементов и волокон в объёме фибросодержащей асфальтобетонной смеси. Устраняется и проблема образования комков в смеси, что было стойким браком при применении обычных неподготовленных специальной обработкой фиброматериалов, например, без вспушивания волокон.
Выбор составного армирующего в заявляемом изобретении осуществлен из технико-химических соображений по пути нахождения оптимальных видов фиброволокона – базальтового и ПАН-волокна. Базальтовое волокно обладает устойчивостью к химическим компонентам, а именно к щелочам и устойчивостью к воздействию низких температур. Рубленое базальтовое волокно выдерживает перепады температуры от -260°С до 600°С и не впитывает воду. А свойства ПАН-волокна характеризуются высоким модулем эластичности, высокой адгезией, устойчивостью к действию щелочей и высокой термостойкостью. Вместе они дополняют незаменимые свойства друг друга, которые наилучшим образом проявляются у одного в одни сезонные периоды, а у второго - в другие.
Одну из ключевых ролей в обеспечении прочности армированного фиброй асфальтобетона играет адгезионная прочность соединения «волокно-битум» в модели композиционного материала. В ходе проведения Заявителем исследования значения силы разрушения образцов асфальтобетона определялось количество необходимой силы для выдергивания волокна из отвержденной матрицы при постоянной глубине заделки. Результаты испытаний композита «битум – волокно», проводившиеся при температурах 0°С, 25°С и 50°С представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Зависимость усилия F от температуры испытаний.
Волокно
Температура, <sup>0</sup>С
F, Н
Примечание
ПАН-нить
50
0,4 - 1,5
Нить покрыта битумом
25
27 - 33
Нить покрыта битумом
0
125 – 141
Нить разрушилась
Базальтовая нить
50
0,5 - 1,1
Нить покрыта битумом
25
18 – 23
Нить покрыта битумом
0
265 – 332
Нить разрушилась
На основе анализа полученных данных можно сделать заключение, что взаимодействие на границе раздела «битум – волокно» в выбранном диапазоне температур имеет различные механизмы, что связано с изменением вязкости битума и его поверхностной энергии. При температуре  +50°С ПАН-фибра и базальтовая фибра, как армирующие элементы, ведут себя одинаково. Следовательно, упрочнение асфальтобетона существенно зависит от качества битума – температуры размягчения - чем выше температура размягчения битума, тем более эффективным оказывается армирование волокнами. При температуре испытаний +25°С силы когезии и адгезии битума с волокнами начинают конкурировать, при этом возрастают силы вытягивания волокон из матрицы, что говорит о возможности реального упрочнения асфальтобетона волокнами. При этом оказывается, что в этой роли ПАН-волокна предпочтительней базальтовых волокон, так как они лучше смачиваются битумом и, соответственно, формируют лучший адгезионный контакт. При нулевой температуре и ниже существенно возрастает когезия битума и межфазное взаимодействие между битумом и волокном. В этом случае определяющую роль играет прочность волокон. Как видно из таблицы 1 в этом температурном диапазоне предпочтительней оказывается армирование базальтовыми волокнами, так как их прочностные характеристики значительно выше, чем у ПАН-волокон.
В ходе испытаний заявляемого технического результата был приготовлен состав асфальтобетонной смеси, в которой в качестве материалов использовались:
- щебень гранитный Потаповского карьера Ростовской области и известняковый щебень Жигулёвского карьера Самарской области фракций от 5 мм до 10 мм, св. 10 мм до 15 мм, св. 15 мм до 20 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 9128-2013, ГОСТ 31015-2002;
- известняковый минеральный порошок Озинского завода Саратовской области, соответствующий требованиям ГОСТ Р 52129-2003;
- речной песок производства ОАО «Саратовское речное транспортное предприятие», соответствующий требованиям ГОСТ 8735-88, ГОСТ 8736 – 2014, ГОСТ 9128;
- битумы Саратовского нефтеперерабатывающего завода, относящиеся к вязким нефтяным дорожным битумам марок БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60, БНД 200/300, БНД 130/200, соответствующие требованиям  ГОСТ 22245-90;
2
2
2
3
2
3
2
2
5
3
- базальтовая  фибра производства ООО «Ижбазальт» с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм, обладающая усредненным химическим составом (% по массе): SiO (47,5-55,0); TiO (1,36-2,0); AlO (14,0-20,0); FeO + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7-11,0); Na2О (2,7-7,5); КО (2,5-7,5); PO (не более 0,5); SO (не более 0,5); прочие породы (не более 5).
- ПАН-волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм.
Состав асфальтобетонной смеси компонентов включал:
щебень – 55%
минеральный порошок – 4%
вода – 5%
вязкий битум БНД 60/90 – 6%
жидкий битум МГ 40/70 -   1%
песок –  28,4%
базальтовое волокно – 0,18%
ПАН-волокно - 0,42%
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 входит устройство для вспушения (расщепления) фиброволокна и устройство для его вдувания в смеситель асфальтобетонного завода.