Способ получения теплой асфальтобетонной смеси и устройство для его осуществления
METHOD FOR OBTAINING A HEATED ASPHALT-CONCRETE MIXTURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства и может использоваться при производстве   теплых асфальтобетонных смесей,  используемых при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог, городских улиц и площадей в соответствии с действующими нормами и правилами.
Горячие асфальтобетонные смеси изготавливаются при температуре 150-165ºС, повышенная температура способствует снижению вязкости битума, и чем ниже вязкость вяжущего, тем быстрее и равномернее все зерна минералов покрываются битумной пленкой.
Теплые асфальтобетонные смеси получают при значительно низкой температуре: от 120 до 130ºС, за счет вспенивания битума путем впрыска в горячий битум воды и воздуха, в результате чего происходит испарение воды и образование пенного битума – пузырьков водяного пара, покрытых тонкой битумной пленкой. При этом вязкость битума увеличивается.
Теплые асфальтобетонные смеси обладают целым рядом преимуществ: они экономят энергоресурсы, снижают выбросы загрязняющих веществ, дают возможность укладки смеси при пониженных температурах, увеличивают время и расстояние при транспортировке смеси, тем самым улучшают условия труда и увеличивают продолжительность строительного сезона.
В литературе известны способы получения теплых асфальтобетонных смесей на асфальтосмесительных установках при пониженном температурном режиме, описаны разнообразные аппараты для образования битумной пены, многие из которых применяются на практике.
Известен «Способ приготовления асфальтобетонной смеси» (АС СССР № 1525130 от 22.09.1987, Кл. С04 В26/26), в котором по напорным трубопроводам в форсунку, установленную в корпусе мешалки подают нагретый битум, и через отводы в форсунках подают воду под давлением 0,15–0,26 МПа, которую распыляют воздушно-минеральной смесью, содержащей 15-50% минерального порошка от массы битума. Вспенивание битума с содержанием 2-5% воды происходит в отдельном аппарате - форсунке, откуда пена с минеральным порошком поступает в мешалку. Этот способ требует установки дополнительного аппарата – форсунки. Поскольку в форсунку с битумом поступает не только вода и воздух, а также минеральный порошок, причем в определенной дозировке, необходима специальная конструкция такой форсунки, чтобы она не забивалась порошком, а также необходим строгий расчет содержания минерального порошка и контроль над степенью дисперсности пены.
0
Известен «Способ и установка для получения вспененной теплой смеси для асфальтовых составов» (US 20020170464 от 21.11.2002.  МПК C08L 95/00), в котором описывается способ получения композиции теплой асфальтовой смеси путем смешивания крупнозернистого минерального материала с «мягким» связующим и с добавлением «тяжелого» связующего. «Мягкое» связующее по терминологии авторов – это гранулированный битум или битумная эмульсия, которые изготавливаются заранее на отдельной установке, и эмульсия, например, содержит от 30 до 50% воды. «Мягкое» связующее позволяет укладывать асфальт хорошего качества при низких температурах от 70 до 100 С, но такой процесс экономически не выгоден, поскольку требуются дополнительные затраты, не только на изготовление гранул или эмульсии, но и затраты на их длительную сохранность в неизменном виде, а также доставку на асфальтобетонный завод. «Тяжелым» связующим авторы называют вспененный битум, процесс вспенивания которого проводят непосредственно перед его введением в мешалку, где происходит его смешивание с крупнозернистым материалом. Для того чтобы снизить температуру укладки теплой асфальтовой композиции и удешевить процесс, в изобретении предлагается снизить добавку в мешалку «мягкого» связующего в два раза и добавлять вместе с «мягким» «тяжелое» связующее. Для этого в процесс получения добавлена стадия вспенивания «тяжелого» битума водой с получением битумной пены, содержание воды в которой 2-5%, а не 30-50%, как в эмульсии. Такой способ по мнению авторов улучшает качество асфальта.
Производственная установка, основанная на этом способе получения композиции теплой асфальтовой смеси, содержит сушильный барабан для нагрева и сушки крупнозернистого минерального компонента, смесительную камеру (мешалку асфальтосмесителя) для смешивания компонентов асфальта, резервуар для хранения готовой асфальтовой смеси, и дополнительно установка содержит специальный аппарат «миксер», в который подают воду и осуществляют вспенивание «тяжелого» связующего, и этот  «миксер» располагают на установке перед мешалкой.
Все известные способы получения теплых асфальтобетонных смесей и установки для вспенивания битума, включая вышеперечисленные, основаны на предварительном получении битумной пены в специальных аппаратах и приспособлениях с последующим введением битумной пены в мешалку асфальтосмесительной установки. Демонтаж и монтаж этих устройств, в случаях необходимости перехода на выпуск других асфальтобетонных смесей (горячих, например), трудоемок и потребует длительной остановки работы всей асфальтосмесительной установки. С этой точки зрения методы вспенивания битума непосредственно в мешалке наиболее предпочтительны.
o
Наиболее близким техническим решением (прототип) выбран «Способ приготовления асфальтобетонной смеси», по патенту РФ № 2040502 от 18.05.1992 (МПК C04B 26/26;  E01C 7/18), включающий смешение в мешалке асфальтосмесителя предварительно подготовленных исходных материалов: горячего битума, грубодисперсного минерального составляющего нагретого до 110-160С и увлажненного минерального порошка водой в количестве 10-20% от его массы. Верхний предел влажности порошка относится к горячим смесям, нижний - к теплым. После смешения грубодисперсных минералов и увлажненного порошка через 1-8 секунд подают горячий битум и производят окончательное перемешивание. По данному способу вспенивание битума происходит непосредственно в мешалке асфальтосмесителя за счет тепла, подаваемого в смеситель с грубодисперсным материалом, которое является доиспаряющим к теплу, вносимому битумом, что приводит к уменьшению влаги в готовой асфальтобетонной смеси за счет испаряющихся с поверхности минералов водяных паров и к снижению технологической температуры конечного продукта. Пары воды быстро испаряются, постоянно поднимаются вверх, и не вся влага успевает соприкасаться с битумом, и поэтому в результате не весь битум на поверхности минералов получается вспененным, а температура его уже снижена. Вязкость невспененного битума повышается со снижением температуры, и он не может  в такой же мере, как вспененный, равномерно покрыть зерна  минерального заполнителя, поэтому асфальтобетонная смесь получается неоднородной, а это приводит к снижению одной из важнейших характеристик – водостойкости.
Кроме того, к недостаткам указанного способа относятся:
• расположение форсунок увлажнения минерального порошка в начальной зоне шнекового транспортера, предполагается, что дальнейшее равномерное увлажнение минерального порошка происходит по ходу его продвижения в транспортере. Однако влажный минеральный порошок, как показала наша практика, прилипает к стенкам транспортера и его узлам, что приводит к  нарушению его работы и перебоям в выпуске асфальтобетонной смеси.
• дозировка минерального порошка осуществляется после его подачи шнековым транспортером в весовой дозатор, а, следовательно, необходима корректировка гранулометрического состава асфальтобетонной смеси на величину объема увлажнения минерального порошка. Если гранулометрический состав нарушен, то в результате смесь не соответствует рецепту, что в дальнейшем сказывается на физико-механических показателях смеси и долговечности асфальтобетонного покрытия.
•  время подачи воды в прототипе осуществляется периодически каждые 7-8 секунд, что также требует постоянного автоматического контроля.
Точного соблюдения всех параметров процесса и контроля над ними, необходимых  в данном способе, возможно достичь на лабораторной или пилотной установках, и очень сложно добиться в производственных условиях.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение водостойкости за счет достижения более высокой однородности теплых асфальтобетонных смесей всех типов и марок, выпускаемых по данному способу.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения теплых асфальтобетонных смесей, включающем перемешивание горячего минерального заполнителя и горячего битума, перед перемешиванием горячего минерального заполнителя и горячего битума, перпендикулярно потоку горячего битума подают распыленную водно-воздушную смесь, а минеральный заполнитель подают сухим.
Вспенивание битума в камере асфальтобетонной мешалки с помощью пневмо-водно-воздушных форсунок происходит до момента соприкосновения с минеральным заполнителем, и только затем предварительно вспененный битум взаимодействует с минеральным материалом.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для получения теплых асфальтобетонных смесей.
В основе способа заложен принцип вспенивания вязкого нефтяного битума непосредственно в мешалке асфальтосмесителя до момента соприкосновения битума с минеральным заполнителем и получение теплой асфальтобетонной смеси. Для этого в корпусе мешалки (1) асфальтосмесителя на её стенках, предварительно установлены пневмо-водно-воздушные форсунки (2), через которые распыляют водно-воздушную смесь. Сухой нагретый минеральный заполнитель загружают через дозатор минеральной смеси (3), и с помощью шнекового смесителя (4) начинают перемешивание. Горячий битум подают по питателю в виде распределительной гребенки (5), ниже которой установлены пневмо-воздушно-водяные форсунки (2), обеспечивающие перпендикулярное направление движения воды по отношению к направлению подачи битума в мешалку. Количество пневмо-водяных форсунок определяют в зависимости от типа выпускаемой асфальтобетонной смеси, а именно от необходимого количества воды для вспенивания битума для каждого типа смеси, также их количество зависит от производительности и объема мешалки. Вспененный битум образуется в момент соприкосновения с водой и затем опускается вниз для перемешивания с сухим минеральным заполнителем, образуя однородную по составу теплую асфальтобетонную смесь.
Устройство (Фиг.1) для получения теплых асфальтобетонных смесей включает:
Мешалку 1, в корпусе которой вмонтированы пневмо-водно-воздушные форсунки 2; мешалка снабжена дозатором 3 подачи минерального заполнителя, шнеком 4 для перемешивания минерального заполнителя и асфальтобетонной смеси, питателем битума 5 в виде гребенки, дозатором-распылителем воды 6, соединенным с мешалкой с помощью шлангов подачи воды 7 и воздуха 8, причем дозатор-распылитель размещен в непосредственной близости к мешалке на рабочей  площадке 9, подключен к системе сжатого воздуха 10, к водяному насосу 11 и, через пульт управления 12 -  к электропитанию.
Устройство работает следующим образом. В мешалку (1), снабженную пневмо-водно-воздушными форсунками (2) через весовые дозаторы (3) подают предварительно нагретый до температуры 130 - 140ºС минеральный заполнитель (песок, щебень) и сухой минеральный порошок. С началом работы шнекового смесителя (4) через распределительную гребенку (5) подают разогретый до температуры 150ºС битум и одновременно, через пневмо-водно-воздушные форсунки (2) перпендикулярно потоку битума при помощи дозатора распылителя воды (6) распыляют воду, которую подают к форсункам под давлением 0,5 МПа вместе с воздухом по шлангам (7, 8). Вода не требует дополнительного подогрева, и её температура может колебаться  от 5 до 50ºС. Количество воды на один цикл работы асфальтобетонной мешалки определяют согласно её производительности, объему и типу получаемой асфальтобетонной смеси. Обычно оно колеблется в пределах от 1,5 до 5,0% по отношению к массе битума.
Синхронизацию процесса подачи битума и воды, объемное дозирование воды, распыление ее через форсунки обеспечивают в автоматическом режиме при помощи дозатора распылителя воды (6), который является неотъемлемой частью устройства. Дозатор распылитель воды, устанавливают непосредственно на рабочей площадке (9) мешалки (1), подключают к системе сжатого воздуха (10), с помощью погружного насоса (11) подают воду, и через пульт управления (12) подключают к электропитанию и автоматизированной системе управления асфальтосмесительной установки.
В процессе смешения горячего битума и воды в мешалке под гребенкой подачи битума происходит резкое испарение ее, в результате чего битум насыщается паром и переходит в состояние вспененного битума, что влечет за собой значительное снижение его вязкости и обеспечивает  наилучшие показатели смачивания этим органическим вяжущим минерального материала.
Затем вспененный битум опускается под действием силы тяжести на перемешиваемый сухой горячий минеральный заполнитель (песок, гравий, щебень, минеральный порошок), и равномерно распределяется по нему, благодаря пониженной вязкости, обеспечивая тем самым высокую однородность и высокое качество смеси.
Преимуществом предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что при вводе нагретого до температуры 150ºС битума и, нагреве минерального заполнителя до температуры 130-140ºС  и строгих заданных параметров дозирования воды для вспенивания битума, обеспечиваемых дозатором-распылителем, достигаются более высокие показатели по значению водостойкости и водостойкости при длительном водонасыщении. Кроме того, при использовании предлагаемого способа наблюдается значительно меньшее значение по показателю водонасыщения, что говорит о лучшем покрытии битумом зерен минерального заполнителя, смесь получается более однородной в сравнении с прототипом, что позволяет достичь увеличения срока службы асфальтобетонных покрытий устроенных из теплых асфальтобетонных смесей по предлагаемому способу.
Физико-механические показатели теплых асфальтобетонных смесей, полученных по данному способу, соответствуют требованиям, предъявляемым к горячим асфальтобетонным смесям такого же типа, что отражено в примерах, представленных в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Физико-механические свойства теплой асфальтобетонной смеси типа А, полученной по предлагаемому способу в описанном выше устройстве
Наименование показателей
Показатели
ГОСТ 9128-2013
Горячая асфальтобетонная смесь типа А марки II
Теплая асфальтобетонная смесь типа А марки II
Плотность, гр/см<sup>3</sup>
не норм.
2.39
2.39
Водонасыщение, % по объему
от 2.0 до 5.0
2.2
2.1
Предел прочности при сжатии, МПа,0°С20°С50°С
не более 10.0 не менее 2. 2не менее 0.8
4.92.91,1
5.83.01,3
Водостойкость
не менее 0,95
0.95
0.95
Водостойкость при длительном водонасыщении
не менее 0,90
0.91
0.91
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения, МПа
не менее 0,80
0.91
0.93
Сдвигоустойчивость сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, МПа
не менее 0,32
0.32
0.33
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С и скорости деформации 50 мм/мин
от 2,5  до 5,5
3.2
2.8
Таблица 2
Физико-механические свойства асфальтобетонной смеси типа В, полученной по предлагаемому способу в описанном выше устройстве
Наименование показателей
Показатели
ГОСТ 9128-2013
Эталонная горячая асфальтобетонная смесь типа В марки II
Экспериментальная теплая асфальтобетонная смесь типа В марки II
Плотность, гр/см<sup>3</sup>
не норм.
2.34
2.34
Водонасыщение, % по объему
от 1.0 до 4.0
1.1
1.1
Предел прочности при сжатии, МПа, при:0°С20°С50°С
не более 10.00не менее 2.2 не менее 1.1
5.73.32.0
5.83.51.9
Водостойкость
не менее 0.90
0.94
0.95
Водостойкость при длительном водонасыщении
не менее 0.85
0.89
0.88
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения, МПа
не менее 0.74
0.80
0.81
Сдвигоустойчивость сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, МПа
не менее 0.37
0.51
0.49
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С и скорости деформации 50
от 2,5  до 6.0
2.5
2.8
Способ обеспечивает
1. Возможность производства однородных по составу и качественных водостойких теплых асфальтобетонных смесей всех типов на асфальтосмесительных установках циклического действия независимо от их производительности и конструктивных особенностей.
2. Стабильность качественных характеристик выпускаемой теплой асфальтобетонной смеси.
3. Возможность вспенивания органического вяжущего (битума) непосредственно в мешалке, что позволяет избежать дополнительных конструктивных доработок (встраивания дополнительных аппаратов) в технологическую схему асфальтосмесительных установок.
4. Возможность быстрого переключения работы асфальтосмесительной установки, производящей теплые асфальтобетонные смеси на выпуск горячих смесей, простым отключением подачи водно-воздушной смеси.
5. Высокий экономический и экологический эффект производства теплых асфальтобетонных смесей, поскольку при производстве горячих асфальтобетонных смесей расход топлива для нагрева минеральных материалов (щебень, песок) в сушильном барабане составляет 7-8 литров на 1 тонну смеси, а при производстве теплых асфальтобетонных смесей расход топлива снижается на 20-30%.