БИТУМОМИНЕРАЛЬНАЯ СМЕСЬ
BITUMEN-MINERAL MIXTURE

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано для устройства дорожных покрытий и оснований.
Строительство дорожных асфальтобетонных покрытий и оснований во многих регионах страны ограничивается отсутствием высокопрочных каменных материалов. Для развития дорожного строительства и снижения его стоимости большое значение приобретает использование для производства битумоминеральных смесей природных пористых каменных материалов (известняки, доломиты, вулканические туфы и шлаки и др.), широко распространенных во многих районах страны, и искусственных пористых заполнителей из глинистого сырья (керамзит, аглопорит, термолит).
Целесообразность применения битумоминеральных смесей на пористых заполнителях обусловлена их высокой теплоизолирующей способностью и низкотемпературной трещиностойкостью, что делает такие материалы эффективными дорожно-строительными материалами для районов с резкоконтинентальным климатом.
Однако битумоминеральные материалы с пористыми заполнителями требуют повышенного расхода битума, имеют низкие показатели водо- и морозостойкости, повышенную склонность к старению и хрупкость вследствие избирательной фильтрации наиболее легких компонентов битума в поры пористого заполнителя.
Известно, что повышение водо- и морозостойкости битумоминеральных материалов с применением пористых известняков может быть достигнуто предварительной гидрофобизацией известняков жидкими битумами с добавками анионных ПАВ [Гезенцвей А.Л. Повышение качества битумоминеральных материалов из слабых известняков. [Текст] / А.Л.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, Г.С.Бахрах // Автомобильные дороги. - 1972. - №5. - С.19]. Гидрофобизация жидкими битумами с добавками анионных ПАВ эффективна при использовании пористых заполнителей из карбонатных горных пород. Для гидрофобизации пористых заполнителей из кислых пород целесообразно применять смесь битума с катионактивными ПАВ, которые дороги и дефицитны.
3
Известна битумоминеральная смесь [А.с. 447423 СССР, МКИ С04В 13/30. Битумоминеральная смесь. [Текст] / М.Г.Басс, К.Т.Бондарев, С.А.Бондаренко, С.М.Багдасаров, Э.М.Гольдман и др. (СССР). - №1884443/29-33; заявл. 19.02.73; опубл. 25.10.74. Бюл. №39 - 2 с.], содержащая, мас.%: битум 6-9; щебень из поризованного стеклокристаллического материала 25-50; плотный минеральный наполнитель фракции менее 0,315 мм 10-20; поверхностно-активная добавка 0,01-0,05; песок - остальное.
Недостатком указанной смеси являются низкая водостойкость и невысокая теплостойкость битумоминерального материала.
Известна также асфальтобетонная смесь [Прокопец B.C. Структурно-механические и деформативные свойства асфальтобетона на пористом заполнителе. [Текст] / B.C.Прокопец, В.Д.Галдина, Г.И.Надыкто, В.А.Иванцов, Г.А.Подрез // Труды первого Всероссийского дорожного конгресса. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С.29-32], включающая, мас.%: щебень из туфа фракции 5-15 мм 28,05; отсев от дробления гранита на щебень фракции 0-10 мм 37,4; песок природный 28,05; битум 6,5.
Недостатком указанной смеси являются низкие водостойкость после длительного водонасыщения и морозостойкость.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является битумокерамзитовая смесь [Литвинова Т.В. Битумоемкость дорожного керамзита. [Текст] / Т.В.Литвинова, Ю.В.Соколов, Л.С.Петрова / Асфальтовые и цементные бетоны для условий Сибири: сб. науч. тр. - Омск: ОмПИ, 1989. - С.66-67], включающая, керамзитовый гравий, песок, минеральный порошок и битум при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Керамзитовый гравий
37,46-42,52
Песок природный
38,15-39,80
Минеральный порошок
12,32-15,30
Битум
6,31-7,44
При приготовлении указанной смеси керамзитовый гравий перед перемешиванием с другими компонентами битумокерамзитовой смеси подвергают двукратной обработке вязким дорожным битумом. Недостатками указанной битумокерамзитовой смеси являются высокий показатель водонасыщения, низкие прочность при температуре 50°С и теплоустойчивость получаемого материала, повышенный расход битума в смеси.
Показатель водонасыщения по объему характеризует количество открытых пор в материале и его водостойкость. При высоком показателе водонасыщения снижается долговечность дорожных покрытий вследствие интенсивного разрушения при длительном или периодическом увлажнении, замораживании и оттаивании. Высокая пористость также способствует повышенной хрупкости и ускоренному старению битумокерамзитового материала. Низкая прочность при 50°С и теплоустойчивость понижают сдвигоустойчивость материала при его работе в дорожном покрытии при высоких эксплуатационных температурах, повышенная хрупкость понижает деформативную способность (устойчивость против образования трещин) при отрицательных температурах дорожного покрытия [Гезенцвей, Л.Б. Дорожный асфальтобетон. [Текст] / Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, A.M.Богуславский, И.В.Королев. / Под ред. Л.Б.Гезенцвея - М.: Транспорт, 1985. С.145-175].
Целью изобретения является повышение водостойкости, прочности при температуре 50°С, теплоустойчивости битумоминерального материала и снижение расхода битума.
Цель достигается тем, что битумоминеральная смесь, включающая керамзитовый гравий или щебень из туфа, песок природный, минеральный порошок и битум, содержит керамзитовый гравий или щебень из туфа, гидрофобизированные тяжелой смолой пиролиза, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Керамзитовый гравий или щебень из туфа,
гидрофобизированные 3-5 мас.% тяжелой
смолой пиролиза
32,8-42,8
Песок природный
39,1-44,7
Минеральный порошок
11,4-17,4
Битум
5,1-6,5
Свойства крупных пористых заполнителей до и после гидрофобизации тяжелой смолой пиролиза представлены на фиг.1 (табл.1), составы битумоминеральной смеси представлены на фиг.2 (табл.2), физико-механические свойства битумоминеральной смеси - на фиг.3 (табл.3).
Тяжелая смола пиролиза является многотоннажным побочным продуктом процесса пиролиза бензина при производстве этилена. Она представляет собой вязкую жидкость темно-коричневого цвета, имеющую следующие свойства:
Плотность при 20°С, кг/м<sup>3</sup>
1030-1080
Вязкость кинематическая, при 20°С, сСт
11,4-18,2
Коксуемость, мас.%, менее
12
Содержание воды, мас.%, менее
0,5
Содержание щелочи, мас.%, менее
0,01
Содержание механических примесей, мас.%
менее 0,01
Фракционный состав: перегоняется
до 200°С, мас.%
менее 10
Групповой химический состав тяжелой смолы пиролиза, мас.%:
Асфальтены
9,26-20,07
Смолы
0,88-2,44
Углеводороды:
Парафино-нафтеновые
0,38-2,47
Моноциклоароматические
0-1,5
Бициклоароматические
17,55-36,22
Полициклоароматические
52,13-60,03
Тяжелая смола пиролиза содержит высокое количество асфальтенов и ароматических углеводородов, которые полярны и имеют высокую адгезию к поверхности минеральных материалов. Ароматические углеводороды являются весьма активными растворителями для макромолекул асфальтенов, что обусловливает малую вязкость тяжелой смолы пиролиза и ее высокую проникающую способность в поры минеральных материалов.
Гидрофобизация способствует: созданию благоприятных условий для обволакивания зерен пористого минерального материала битумом (в том числе и развитой внутренней поверхности, образуемой порами), защищая его от действия влаги; образованию структурно-механического барьера, предотвращающего избирательную фильтрацию легких компонентов битума вглубь каменного материала и способствующего уменьшению хрупкости битумоминерального материала; образованию хемосорбционных соединений на границе раздела битум - пористое зерно [Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон. [Текст] / Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, A.M.Богуславский, И.В.Королев. / Под ред. Л.Б.Гезенцвея - М.: Транспорт, 1985. С.102-104].
Испытания исходных материалов для битумоминеральных смесей (керамзитового гравия, щебня из туфа, песка природного, минерального порошка, битума и тяжелой смолы пиролиза) и битумоминеральных смесей выполнены в лаборатории кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» ГОУ «СибАДИ», что подтверждается протоколом испытаний.
к
Для приготовления битумоминеральных смесей использовали керамзитовый гравий и щебень из туфа фракций 5-15 мм, песок природный мелкий с модулем крупности М=1,56 по ГОСТ 8736-93, минеральный порошок активированный марки МП-1 по ГОСТ Р 52129-2003, битум марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90*.
Битумоминеральную смесь, предлагаемую по данному изобретению, готовят по следующей технологии. Высушенные и нагретые до температуры 140-160°С керамзитовый гравий или щебень из туфа загружают в смеситель и туда же вводят 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза, нагретой до 50-60°С. Через 10-15 с после начала перемешивания керамзитового гравия или щебня из туфа с тяжелой смолой пиролиза в смеситель подают нагретые до 140-160°С песок природный и минеральный порошок и перемешивают в течение 10-15 с. Затем в смеситель вводят разогретый до 130-150°С битум и смесь перемешивают еще в течение 10-15 с.
Истинную и среднюю плотности, пористость и водопоглощение керамзитового гравия и щебня из туфа определяли по ГОСТ 82069.0-97, прочность при сдавливании в цилиндре - по ГОСТ 9758-86.
Данные фиг.1 показывают, что после гидрофобизации зерен керамзита и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза в количестве 3-5 мас.% уменьшаются пористость и водопоглощение по объему. Прочность при сдавливании в цилиндре гидрофобизированных зерен керамзита повышается на 20,6-34,5%, щебня из туфа - на 54,6-73,9% по сравнению с прочностью необработанных зерен. Эти данные свидетельствуют об эффективности гидрофобизации керамзита и щебня из туфа предлагаемой тяжелой смолой пиролиза.
Эффект заключается в «глубинной» гидрофобизации зерен пористых материалов тяжелой смолой пиролиза. В результате такой обработки керамзита и щебня из туфа внутренняя поверхность пор этих материалов гидрофобизируется и частично кольматируется, что способствует уменьшению количества открытых пор и водопоглощения. Присутствие асфальтенов и ароматических углеводородов тяжелой смолы пиролиза в более глубоких слоях каменных материалов позволяет существенно повысить эффективность гидрофобизации.
При расходе для гидрофобизации тяжелой смолы пиролиза менее 3 мас.%, например 2 мас.%, повышаются пористость и водопоглощение, снижаются прочности пористых заполнителей.
Увеличение количества тяжелой смолы пиролиза для гидрофобизации более 5 мас.%, например 6 мас.%, нецелесообразно, так как пористость и водопоглощение практически не изменяются, а прочность понижается по сравнению с этими показателями для керамзитового гравия и щебня из туфа, гидрофобизированных 5 мас.% тяжелой смолы пиролиза. Лучшие физико-механические свойства имеют керамзитовый гравий и щебень из туфа, гидрофобизированные 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза (фиг.1).
Из битумоминеральных смесей составов 1-10 (фиг.2) формовали лабораторные образцы-цилиндры размером d=h=71,4 мм по методике ГОСТ 12801-98 при уплотняющем давлении 30 МПа. Физико-механические свойства битумоминеральных материалов определяли по ГОСТ 9128-2009 (фиг.3).
Теплоустойчивость битумоминерального материала оценивали по коэффициенту теплоустойчивости, который учитывает влияние температуры на прочность битумоминерального материала и определяется по формуле [Колбановская, А.С. Дорожные битумы. [Текст] / А.С.Колбановская, В.В.Михайлов. М.: Транспорт, 1973. - С.159-160]:
T
0
50
K=R/R,
Т
0
50
где К - коэффициент теплоустойчивости; R и R - пределы прочности при сжатии при температурах 0 и 50°С соответственно, МПа.
50
0
Т
Чем меньше изменяется прочность асфальтобетона в интервале температур от +50°С до 0°С и чем выше R и ниже R, тем выше теплоустойчивость битумоминерального материала и ниже значение К.
Меру хрупкости определяли из выражения [Пономарева С.Г. Способ определения температуры хрупкости асфальтобетона. [Текст] / С.Г.Пономарева // Информ. листок №85 - 38 / Омский ЦНТИ. - Омск, 1985. - 3 с.]:
p
X=R/A·t,
p
где Х - мера хрупкости, отн.ед.; R - предел прочности на растяжение при расколе при температуре - 10°С, МПа; с; А - угловой коэффициент начального прямолинейного участка в координатах напряжение - время, t - время до разрушения.
Испытания показали, что по физико-механическим свойствам битумоминеральная смесь соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетонной смеси II марки типа В.
Как видно из приведенных на фиг.3 данных, у битумоминеральной смеси предлагаемого состава по сравнению с известной смесью водонасыщение меньше в 3,6-4,1 раза, коэффициент длительной водостойкости выше на 2,3-5,7%, прочность при 50°С выше на 23,9-77,5%, коэффициент теплоустойчивости ниже на 2,1-5,2%, мера хрупкости меньше на 16,9-31,6%, оптимальное содержание битума ниже на 14,4-23,7%.
При расходе для гидрофобизации тяжелой смолы пиролиза менее 3 мас.%, например 2 мас.%, увеличивается водонасыщение, понижается прочность при 50°С, снижаются водостойкость и теплоустойчивость, повышается хрупкость битумоминерального материала. При гидрофобизации керамзитового гравия и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза в количестве более 5 мас.%, например 6 мас.%, понижается прочность при 50°С и теплоустойчивость, увеличивается хрупкость битумоминерального материала. Лучшим комплексом физико-механических свойств характеризуются битумоминеральные материалы, в которых керамзитовый гравий и щебень из туфа гидрофобизированы 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза (фиг.3).
Гидрофобизация зерен керамзита и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза позволила уменьшить водонасыщение и оптимальное содержание битума в смеси, повысить прочность битумоминерального материала, при температуре 50°С, водостойкость и теплоустойчивость за счет увеличения адгезии битума к поверхности зерен, а также увеличить водостойкость за счет уменьшения количества воды, проникающей в поры, и понизить хрупкость вследствие предотвращения избирательной диффузии битума в поры гидрофобизированного пористого заполнителя.
При частичном дроблении зерен пористого заполнителя под действием уплотняющих и эксплуатационных нагрузок обнажаются новые, лежащие ранее в глубине поверхности. Так как гидрофобизация охватывает зерна пористого заполнителя на большую глубину, то вновь образовавшиеся поверхности также частично гидрофобизированы, в результате свободный битум в битумоминеральном материале менее подвержен старению. Дорожное покрытие становится более водостойким, прочным и теплоустойчивым, менее хрупким, следовательно, увеличивается его долговечность.