СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ГОРЯЧИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
METHOD TO PRODUCE MODIFYING ADDITIVE FOR HOT ASPHALT-CONCRETE MIXTURES

Изобретение относится к автодорожной отрасли, к получению минерального порошка, модифицированного полимерами типа СБС (стирол-бутадиен-стирол), на основе которого производится асфальтобетон с улучшенными физико-механическими свойствами для дорожных покрытий, с использованием вяжущего на основе нефтяного дорожного битума.
Известен способ получения минерального порошка (RU № 2374199, МПК С04В 26/26, С04В 20/02, опубликовано 27.11.2009 г.), включающий помол сырья, содержащего битум, в котором измельчению подвергают дробленный асфальтобетон, причем измельчение проводят в центробежно-ударной мельнице с окружной скоростью от 50 до 100 м/с. При этом используют куски асфальтобетона размером не свыше 40 мм. Использование данного минерального порошка не позволяет существенно и качественно улучшить свойства дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси, но позволяет получать дешевый активированный порошок, улучшающий удобоукладываемость асфальтобетона. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что добавку предварительно измельчают в мельнице.
Известен способ приготовления вяжущего для дорожного строительства (RU № 2128632, МПК С04В 26/26, C08L 95/00, опубликовано 10.04.1999 г.), включающий введение полистирола в виде измельченного продукта в вяжущее при повышенной температуре, перемешивание, в котором полистирол в виде фракции 0,01-1,0 мм предварительно опудривают минеральным порошком и вводят в разогретое до 120-140°С битумное вяжущее, перемешивание осуществляют в течение 3-10 мин при следующем содержании компонентов, мас.%:
битумное вяжущее
24,8-35,1
полистирол
3,9-11,1
минеральный порошок
53,8-71,3
Основной недостаток известного решения - сложность замешивания и равномерного распределения по объему полимерного компонента в битумном вяжущем, что приводит к снижению качественных показателей вяжущего. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что полимерную добавку, полистирол, предварительно измельчают.
Известна наномодифицированная асфальтобетонная смесь (RU № 2466161, МПК C08L 95/00, B82B 1/00, С04В 26/26, опубликовано 10.11.2012 г.), содержащая щебень, отсев щебня, нефтяной битум, в которой модификатором служит резиновая крошка размером 0,75 мм, механоактивированная совместно с наношпинелью магния. Эта добавка добавляется при изготовлении горячего асфальтобетона в соотношении по процентному составу:
битум марки БНД 90/130
в количестве 100%
резиновая крошка
в количестве 7% от массы битума
наношпинель магния
в количестве 0,5% от массы битума
В данной смеси резиновая крошка из отработанных шин, полученная на режущей мельнице фирмы «Fritch» с использованием сита 0,75 мм выступает в качестве основного модификатора битума. В качестве добавки, улучшающей взаимодействие на границе раздела фаз «битум - резиновая крошка», применялась нанодисперсная шпинель магния, синтезированная в Институте твердого тела и механохимии (ИХТТМ) г. Новосибирск. Шпинель магния вводилась в количестве 0,5% от массы вяжущего - битума. Наилучшие результаты получены для композиции, содержащей резиновую крошку дисперсностью 0,75 мм, активированную совместно со шпинелью магния. В этом случае затраты на диспергирование резиновых отходов сравнительно малы, в то время как прочностные показатели улучшаются значительно. Повышенные прочностные свойства полученного модифицированного асфальтобетона в широком интервале температур могут предотвратить трещинообразование и повысить долговечность дорожного покрытия, что может компенсировать затраты на дополнительные технологические операции (механоактивация и добавление резиновой крошки в асфальтобетон).
Основные недостатки известного решения - значительные затраты на диспергирование резиновых отходов, сложность замешивания и равномерного распределения по объему полимерного компонента в битумном вяжущем и по объему асфальтобетонной смеси, что приводит к снижению качественных показателей вяжущего и получаемого асфальтобетона. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что полимерную составляющую в виде резиновой крошки активируют в мельнице совместно со шпинелью магния.
Известна асфальтобетонная смесь и способ ее получения (RU № 2205808, МПК С04В 26/26, опубликовано 10.06.2003 г.), по данному изобретению на основе предварительной приготовленной активированной смеси 14,4-29,7 мас.% доломитового порошка с 1,6-3,3 мас.% порошка окатышей горно-обогатительного комбината путем смешивания указанной смеси в шаровой мельнице с 0,32-1,65 мас.% нефтяного битума и смешивания полученной активированной смеси в смесительной установке в нагретом состоянии с 26-33 мас.% щебня, 35-43 мас.% песчано-гравийной смеси и 4,35-7,68 мас.% нефтяного битума.
Предварительное приготовление активированной смеси 14,4-29,7 мас.% доломитового порошка с 1,6-3,3 мас.% порошка окатышей горно-обогатительного комбината путем смешивания указанной смеси в шаровой мельнице с 0,32-1,65 мас.% нефтяного битума - по сути, приготовление модифицирующей добавки, и последующего смешивания указанной смеси в шаровой мельнице с 0,32-1,65 мас.% нефтяного битума и смешивания полученной активированной смеси в смесительной установке в нагретом состоянии с 26-33 мас.% щебня, 35-43 мас.% песчано-гравийной смеси и 4,35-7,68 мас.% нефтяного битума с получением асфальтобетонной смеси по известному решению позволяет получить сцепление битума с минеральной частью в соответствии с ГОСТ 11508-74. Однако качественные эксплуатационные показатели асфальтобетона на такой активированной смеси не высокие. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что доломитовый порошок и окатыши горно-обогатительного комбината активируют в шаровой мельнице.
Известен минеральный порошок для асфальтобетонной смеси (RU № 2125547, МПК С04В 26/26, C08L 95/00, опубликовано 27.01.1999 г.), включающий поверхностно-активное вещество, гидрофобизатор и минеральный компонент, который содержит в качестве поверхностно-активного вещества остаток производства алкилсульфата, а в качестве гидрофобизатора тяжелый гудрон при следующем соотношении компонентов, мас.%:
остаток производства алкилсульфата
0,8-1,5
тяжелый гудрон
1,0-2,0
минеральный компонент
остальное
Недостатком данного способа является невысокое качество асфальтобетона полученного на основе такого порошка. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что производится предварительное перемешивание и совместное измельчения органической и неорганической составляющих.
Известен наноструктурирующий модификатор для асфальтобетона (RU № 2412126, МПК С04В 24/36, С04В 20/10, В82В 3/00, опубликовано 20.02.2011 г.), который содержит в качестве органической основы битум или мазут и дополнительно равномерно диспергированные в ней углеродные нанотрубки, технический углерод и органоглину при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углеродные нанотрубки
0,2-10
технический углерод
10-20
органоглина
1-20
битум или мазут
остальное
Недостатком данного способа является трудность совмещения порошка с битумом в промышленных масштабах. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что модификатор асфальтобетона состоит из органической составляющей, в качестве которой выступает технический углерод, минеральной части (органоглина) и адгезионной добавки (углеродные нанотрубки).
Известен способ изготовления модифицирующих добавок (RU № 2211205, МПК С04В 40/00, С04В 28/02, опубликовано 27.08.2003 г.), включающий смешивание минерального наполнителя и дополнительного активного ингредиента при их определенном соотношении с последующим активным перемешиванием в турбулентных потоках, в котором активное перемешивание в турбулентных потоках осуществляют путем двухступенчатой обработки в смесителе в зазорах между билами на роторе и отбойниках на корпусе, при этом скорость ударного нагружения возрастает от 0 до 50 м/с на первой ступени и от 50 до 100 м/с на второй ступени в течение 1-10 с при температуре 40°С при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: минеральный наполнитель 50-95, дополнительный активный ингредиент 5-50. При этом перемешивание в турбулентных потоках производят в смесителе активаторе СЦУ-450, в качестве минерального наполнителя используют один наполнитель из группы: кальцит, барит, известняковая мука, мраморная мука, доломитовая мука, пылевидный кварц, различные виды цемента, гипс, корунд, аморфный кремнезем, а в качестве дополнительного активного ингредиента используют, по крайней мере, один ингредиент из группы: редисперсионные порошки сополимеров и гомополимеров винилацетата, акрилата и бутадиен-стирола, эфиры целлюлозы, водорастворимые пластифицирующие, водоредуцирующие, воздухововлекающие, гидрофобизирующие, пигментирующие добавки в сухом виде.
Недостатком данного способа является плохая удобоукладываемость асфальтобетона на основе такого модификатора, так как применяемые полимеры значительно повышают вязкость асфальтовяжущего. Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является то, что компоненты модифицирующей добавки подвергают совместной активации и перемешиванию.
Известен активированный минеральный порошок для асфальтобетонных смесей (RU № 2439017, МПК С04В 26/26, опубликовано 10.01.2012 г.). Используемые в составе минерального порошка отходы полусухой очистки дымовых газов, образующихся при сжигании твердых бытовых отходов (ТБО), за счет уникальных структурных свойств позволяют получить порошок, обладающий повышенной способностью заполнять пространства между инертными материалами асфальтобетона и проникать в поры указанных материалов, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий. При этом в отличие, например, от таких отходов, как зола-уноса, пылевидные фракции, указанные отходы не обладают способностью к слипанию и затвердению.
Технический результат: упрощение состава порошка, расширение ассортимента активированных минеральных порошков, удовлетворяющих всем требованиям ГОСТ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
отходы полусухой очистки дымовых газов
40,00-99,00
гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость
0,10-20,0
битум
остальное до 100
По назначению, по технической сущности, по наличию сходных существенных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога для предлагаемой модифицирующей добавки для асфальтобетонной смеси.
Недостатком этого способа производства активированного минерального порошка является трудность получения однородной композиции, а значит, и нестабильное качество асфальтобетона при промышленном производстве. Асфальтобетон на предлагаемом активированном порошке имеет слишком большую прочность при 0°C, что говорит о его плохой морозостойкости, а прочность при длительной выдержке в воде возрастает почти в два раза. Это говорит о том, что органическое вяжущее не обволакивает мелкодисперсную часть асфальтобетонной смеси и это приведет к потери водостойкости покрытия и повышенной хрупкости. Слишком большие показатели прочности при всех температурах свидетельствуют о плохой удобоукладываемости асфальтобетонной смеси на активированном минеральном порошке.
Задачей предлагаемого способа получения модифицирующей добавки (модифицированного минерального порошка) является то, что ее можно использовать на стандартном оборудовании для производства горячего асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами и с улучшенной удобоукладываемостью при низких температурах.
Техническими результатами являются: получение асфальтобетонной смеси однородного состава, повышение качественных показателей и долговечности дорожного покрытия, изготовленного с использованием данной добавки. Технические результаты достигаются тем, что производится совместная механическая активации минеральных и органических компонентов, входящих в состав добавки, в следующей пропорции, масс. %:
адгезионная добавка
0.35-0.5
минеральное масло
3.5-5.0
полимер
1.5-3.5
порошок из мрамора
остальное
При производстве горячего асфальтобетона минеральные наполнители предварительно сушат при температуре до 160-170°C, смешивают в смесительном агрегате с модифицирующей добавкой, затем туда же подают битум, предварительно нагретый до температуры 150-160°C и всю смесь перемешивают в течение 40-60 сек, на смешивание подают компоненты при следующих соотношениях, масс. %:
отсев
30-45
щебень
25-50
модифицированный порошок
4-7
нефтяной битум
5-7
Кроме того, в качестве щебня может быть использован щебень горных пород, в качестве отсева может быть использован отсев гравия или щебня горных пород, в качестве минерального масла могут быть использованы отходы моторных, индустриальных и трансформаторных масел, а в качестве битума используют нефтяной битум марки БНД.
Сравнительный анализ предлагаемой модифицирующей добавки для асфальтобетонной смеси с модифицирующей добавкой по ближайшему аналогу показывает следующее. Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- получение модифицирующей добавки для асфальтобетонной смеси;
- использование в составе добавки органического компонента;
- смешивание и совместная активация материала с органическим компонентом.
Предлагаемое решение характеризуется также признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- в качестве модифицирующей добавки используют полимер СБС;
- на смешивание и на совместную механическую активацию дополнительно подают адгезионную добавку, причем адгезионную добавку подают в смесь предварительно, до механической активации;
- на смешивание и на совместную механическую активацию дополнительно подают минеральное масло;
- на смешивание и на совместную механическую активацию подают компоненты при следующем соотношении, масс. %:
адгезионная добавка
0,35-0.5
минеральное масло
3,5-5,0
полимер СБС
1,5-3,5
порошок из мрамора
остальное
При этом в качестве адгезионной добавки используется PolyramL200 (Полирам Л200) фирмы Сеса, в качестве минеральной составляющей используется мрамор, в качестве минерального масла могут быть использованы отработанные масла, в качестве полимера могут быть использованы сополимеры СБС, при этом минеральное масло и полимер СБС подают в смесь предварительно до механической активации.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа получения модифицирующей добавки для асфальтобетонной смеси условию патентоспособности «новизна».
Техническая сущность предлагаемых решений, связанных единым изобретательским замыслом, заключается в следующем.
Минеральный порошок (мелкодисперсный заполнитель) является необходимой составляющей асфальтобетона. Его основная функция - заполнение пор в минеральном остове, что приводит, во-первых, к уменьшению количества битума, во-вторых, к уменьшению толщины пленки битума. Уменьшается стоимость асфальтобетона, уменьшается эффект старения. Другая, менее очевидная функция минерального порошка - это изменение физико-химических свойств битума. Причем "хороший" порошок может значительно улучшать физико-механические показатели битума. К хорошим мелкодисперсным наполнителям относятся доломиты и мраморы. Таким образом, минеральный порошок в значительной степени определяет физико-механические показатели асфальтобетона и даже его срок службы. Для определения эффективности того или иного способа получения минерального порошка необходимо задаться критерием качества. Для практических целей критерием может служить изменение реологических характеристик вяжущего при добавлении в него мелкодисперсного заполнителя, такая смесь называется асфальтовяжущим. Дело в том, что мелкодисперсный наполнитель, обладая большой удельной поверхностью, может изменять не только физико-механические, но и химические свойства битума. Поэтому мелкодисперсные наполнители для асфальтобетона, содержащие каучукоподобные полимеры, могут значительно улучшить его теплостойкость и морозостойкость. Технология совместного измельчения и активации минеральных и полимерных компонентов была реализована на промышленной мельнице периодического действия с истирающим способом обработки материала.
Пример 1
Приведем сравнительные характеристики асфальтовяжущего на обычном минеральном порошке из мрамора, на модифицированном порошке и обычного битума БНД 90/130. Исследованию подвергаются смеси из порошка и битума марки БНД 90/130, взятые в соотношении 1:1 и перемешанные при температуре 170°C. Такая температура смешивания и соотношение порошок: битум позволяют моделировать свойства полимера в асфальтобетоне, выпущенном на промышленной установке.
Состав №1 - асфальтовяжущее состоит из битума и минерального порошка, имеющего состав:
Мрамор - 100%
Состав №2 - асфальтовяжущее состоит из битума и минерального порошка, имеющего состав(масс. %):
полимер СБС (ДСТ-30Р)
1%
минеральное масло
2%
адгезионная добавка
0,2%
порошок из мрамора
остальное до 100%
Пример 2
Характеристики асфальтовяжущего на обычном минеральном порошке из мрамора, на модифицированном порошке и обычного битума БНД 90/130. Смеси из порошка и битума марки БНД 90/130 взяты в соотношении 1:1 и перемешаны при температуре 170°C.
Состав №1 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав:
Мрамор - 100%
Состав №2 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав (масс. %):
полимер СБС(ДСТ-30Р)
2%
минеральное масло
3,5%
адгезионная добавка
0,35%
порошок из мрамора
остальное до 100%
Пример 3
Характеристики асфальтовяжущего на обычном минеральном порошке из мрамора, на модифицированном порошке и обычного битума БНД 90/130. Смеси из порошка и битума марки БНД 90/130 взяты в соотношении 1:1 и перемешаны при температуре 170°C.
Состав №1 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав:
Мрамор - 100%
Состав №2 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав (масс. %):
полимер СБС(ДСТ-30Р)
2%
минеральное масло
5%
адгезионная добавка
0,5%
порошок из мрамора
остальное до 100%
Пример 4
Характеристики асфальтовяжущего на обычном минеральном порошке из мрамора, на модифицированном порошке и обычного битума БНД 90/130. Смеси из порошка и битума марки БНД 90/130 взяты в соотношении 1:1 и перемешаны при температуре 170°C.
Состав №1 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав:
Мрамор - 100%
Состав №2 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав (масс. %):
полимер СБС(ДСТ-30Р)
3,5%
минеральное масло
5%
адгезионная добавка
0,5%
порошок из мрамора
остальное до 100%
Пример 5
Характеристики асфальтовяжущего на обычном минеральном порошке из мрамора, на модифицированном порошке и обычного битума БНД 90/130. Смеси из порошка и битума марки БНД 90/130 взяты в соотношении 1:1 и перемешаны при температуре 170°C.
Состав №1- асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав:
Мрамор - 100%
Состав №2 - асфальтовяжущее состоит из битума минерального порошка, имеющего состав (масс. %):
полимер СБС(ДСТ-30Р)
4,5%
минеральное масло
7%
адгезионная добавка
0,5%
порошок из мрамора
остальное до 100%
В примере 1 состав не соответствует пределам, описанным в нашем изобретении, и поэтому свойства асфальтовяжущего незначительно отличаются от смеси битума и порошка из мрамора. Использовать такой состав в дорожном строительстве нецелесообразно, так как он несущественно улучшает характеристики асфальтобетона. В примере 5 состав не соответствует пределам, но физико-механические характеристики асфальтовяжущего очень хорошие. Использование такого состава модифицированного порошка невозможно по технологическим причинам: ввиду плохой сыпучести такой порошок невозможно перемещать и дозировать обычными механизмами, имеющимися на стандартных асфальтобетонных заводах.
Известные технологии улучшения качества дорожного битума предполагают растворение полимеров в битуме на специализированных установках. Этот процесс связан с большими материальными и энергетическими затратами в связи со сложностью процесса растворения полимера и необходимостью применения дорогостоящего оборудования. Одним из основных препятствий использованию полимербитумных (ПБВ) вяжущих является то, что его нельзя более 10 часов хранить в нагретом до рабочих температур состоянии, так как происходит деструкция полимера и расслоение вяжущего. Если вяжущее доставлять на асфальтобетонный завод в холодном состоянии, то только на его разогрев затрачивается около суток, а в случае плохих погодных условий необходимо хранить вяжущее в нагретом состоянии много дней (что реально наблюдается на асфальтобетонных заводах). Таким образом, ПБВ желательно производить и использовать в течение нескольких часов, а битумные котлы должны быть оснащены очень эффективной системой перемешивания вяжущего, для чего на каждом асфальтобетонном заводе необходимо иметь специально оборудованный битумный котел.
Преимущество использования модифицированных порошков по предлагаемой технологии, по сравнению со стандартным методом получения полимербитумных вяжущих по ГОСТ Р 52056-2003, заключается в следующем:
во-первых, в возможности использования в качестве минерального масла отработанных масел, а не индустриального масла, что в два раза снижает стоимость продукта;
во-вторых, и это самое важное, исчезает проблема деструкции ПБВ.
Получение, хранение, использование, дозирование модифицированного порошка по предлагаемой технологии осуществляется на стандартном оборудовании, и у модифицированного порошка практически нет ограничения по срокам хранения. Хорошие физико-механические характеристики асфальтовяжущего не могли не сказаться на свойствах асфальтобетона, изготовленного на основе модифицированного полимерами минерального порошка.
Пример №6
Асфальтобетонная смесь приготовлена по следующей технологии: минеральные наполнители, нагретые до 160-170°C, смешивают в смесительном агрегате с модифицированным порошком, затем туда же подают битум, предварительно нагретый до температуры 150-160°C, и всю смесь перемешивают в течение 40-60 сек, на смешивание подают компоненты при следующих соотношениях, масс. %:
отсев
49
щебень
45
модифицированный порошок
6
нефтяной битум (добавка сверх 100%)
6
Образцы асфальтобетона имели показатели, представленные в таблице №6.
50
0
Испытания асфальтобетона проводились по методике, предназначенной для оценки качества асфальтобетонов модифицированных блок-сополимерами типа СБС, а именно: ОДМ 218.2.003-2007 "Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блок-сополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог". Как и ожидалось, асфальтобетон характеризуется повышенной R (что говорит о повышенной теплостойкости), пониженной R (что характеризует хорошую морозостойкость) и отличной водостойкостью. Кроме того, при строительстве экспериментального участка автодороги была отмечена очень хорошая удобоукладываемость модифицированной асфальтобетонной смеси при пониженных температурах.
Общий вывод заключается в том, что модифицирование минеральных порошков приводит к значительному улучшению реологических показателей асфальтовяжущего. Это естественно приводит к заметному положительному изменению свойств асфальтобетона: увеличению долговечности, морозостойкости и стойкости к перепадам температур.
В результате сравнения предлагаемых решений с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, которые характеризовались бы идентичными или аналогичными совокупностями признаков с предлагаемым способом получения модифицирующей добавки для асфальтобетонной смеси.
Не выявлено технических решений с идентичными или аналогичными совокупностями признаков, которые при использовании обеспечивали бы достижение результатов, аналогичных с достигаемыми результатами при использовании совокупности признаков предлагаемых решений, что позволяет сделать вывод о соответствии данных предлагаемых решений условию патентоспособности «изобретательский уровень».