Асфальтобетонная смесь

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд во всех климатических зонах. Асфальтобетонная смесь включает, мас.%: песок 10,0-22,0, минеральный порошок 8,0-11,0, отсев дробления щебня - фракция 0-5 мм 64,5-72,0, нефтяной вязкий битум 4,7-5,5, резиновый модификатор 0,8-1,5. Резиновый модификатор включает резиновую крошку (РК), поверхностно-активное вещество (ПАВ) - КАДЭМ-ВТ, полимерную добавку СЭВИЛЕН (ПД), шлам химводоочистки ТЭЦ (ШХТ) и нефтяной гудрон (НГ), в котором соотношение РК:ПАВ:ПД:ШХТ:НГ составляет мас.% от 26:2:12:12:48 до 39:1:8:8:44. Технический результат: повышение прочностных показателей асфальтобетона при высоких значениях коэффициента водостойкости, а также утилизация отходов шинной резины. 8 табл.

 

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для изготовления асфальтобетона при устройстве автомобильных дорог, аэродромов и мостов.

При строительстве автомобильных дорог широко применяются асфальтобетонные смеси, приготовляемые в соответствии с ГОСТ 9128-97. Известны асфальтобетонные смеси, в которых для повышения их свойств широко используют различные виды резиновой крошки, получаемой при дроблении изношенных автопокрышек и других отходов резинотехнических изделий.

Известна асфальтобетонная смесь (а.с. СССР №1595813, кл. С04В 26/26, 1990), включающая, мас.%:

модифицированный жидкий битум или нефтяной гудрон - 5,5;

минеральный заполнитель - остальное.

При этом модификатор включает эластомерную резиновую крошку, нефтепродукт в виде минерального масла и шлам шлифования хромистых сталей, а соотношение компонентов в модифицированном органическом вяжущем составляет, мас.%:

Резиновая крошка	10-20
Минеральное масло	0,02-0,03
Шлам	0,98-1,97
Жидкий битум или нефтяной гудрон	остальное

Однако полученный асфальтобетон имеет невысокий предел прочности (при 50°С 0,8-1,75 МПа). Кроме того, процесс изготовления смеси сложен.

Известна асфальтобетонная смесь (патент RU №2095325 6, С04В 26/26, 1997), содержащая битум, модификатор, включающий эластомерную (резиновую) крошку и нефтепродукты и минеральный заполнитель.

В качестве модификатора смесь содержит отработанный эластомерный резиновый сорбент установок по очистке сточных вод от диеннитрильного и изопренового каучука в соотношении 25:25:50. Смесь не может быть рекомендована для использования при устройстве автомобильных дорог аэродромов, мостов, т.к. она имеет низкое водонасыщение (0,29%) и относительно невысокий предел прочности при сжатии при 50°С. Водонасыщение должно соответствовать согласно ГОСТ 9128-97 значениям 1,5-4,0%.

Наиболее близкой к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является асфальтобетонная смесь (см. патент на изобретение RU №2196750 С1, 7 С04В 26/26, 2003), включающая, мас.%:

Песок	16,0-20,0
Минеральный порошок	10,0-15,0
Резиновый термоэластопласт	0,5-1,0
Нефтяной вязкий битум	5,0-6,5
Таловый пек	0,3-0,5
Отсев дробления щебня фракции 0-5 мм	57,0-68,2

Недостатком известного решения является сравнительно невысокий показатель прочности при 50°С (1,45-1,65 МПа), характеризующий теплоустойчивость и сдвигоустойчивость смесей, что особенно важно для южных регионов страны.

Задача изобретения - повышение прочности асфальтобетона при повышенных температурах, в частности характеризующий теплоустойчивость и сдвигоустойчивость покрытий, а также преследуется цель утилизации отходов шинной резины.

Сущность изобретения достигается тем, что асфальтобетонная смесь, включающая песок, минеральный порошок, отсев дробления щебня - фракция 0-5 мм, нефтяной вязкий битум, дополнительно содержит резиновый модификатор, включающий резиновую крошку РК, поверхностно-активное вещество КАДЭМ-ВТ, полимерную добавку СЭВИЛЕН ПД, шлам химводоочистки ТЭЦ XT и нефтяной гудрон НГ, в котором соотношение РК:ПАВ:ПД:ШХТ:НГ составляет, мас.% от 26:2:12:12:48 до 39:1:8:8:44 при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:

Песок	10,0-22,0
Минеральный порошок	8,0-11,0
Отсев дробления щебня фракция 0-5 мм	64,5-72,0
Нефтяной вязкий битум	4,7-5,5
Резиновый модификатор	0,8-1,5

Резиновая крошка и полимерный компонент СЭВИЛЕН (соединение сополимера этилена с этиленвинилацетатом), проявляя свойства каучуково-полимерной добавки и дисперсного заполнителя, активно работают в создании структуры асфальтобетона, способствуют структурированию и повышению его деформативных свойств. Сочетание в резиновом модификаторе этих компонентов с поверхностно-активным веществом аминного типа (катионным реагентом КАДЭМ-ВТ) способствует, в частности, повышению коэффициента водостойкости асфальтобетонных смесей при длительном водонасыщении, показателя прочности при сжатии при 50°С, улучшению их теплоустойчивости, а также адгезионных свойств битумного вяжущего.

Положительный эффект применения резинового модификатора достигается за счет того, что резиновая крошка образует в комплексе с полимерным компонентом СЭВИЛЕНОМ, катионным ПАВ КАДЭМ-ВТ и гудроном структурированную резинополимерную композицию, обладающую повышенными прочностными, пластичными и адгезионными свойствами, заметно повышающими показатели свойств асфальтобетона, в частности водостойкость и теплоустойчивость. Введение в состав резинового модификатора, нефтяного гудрона, модифицированного поверхностно-активным веществом КАДЭМ-ВТ, резиновой крошки с последующим добавлением шлама химводоочистки ТЭЦ, содержащего неорганические соединения основного характера, ускоряет процесс набухания крошки в гудроне и способствует частичному распаду ее вулканизационной сетки, сокращая длительность процесса набухания полимерных цепей резины с образованием вязкой пастообразной массы.

Добавление в полученную массу полимерного компонента СЭВИЛЕНА обеспечивает при пропускании через экструдер получение твердых не липнувших гранул - резинополимерного модификатора (сокращенно резинового модификатора). Введение полученных гранул в асфальтобетонную смесь обеспечивает образование устойчивого стабильного высокопрочного асфальтобетона.

Органичное соединение резиновой крошки, СЭВИЛЕНА и КАДЭМ-ВТ с битумом и гудроном обусловлено родством природы компонентов - вяжущего, каучуковой, полимерной добавки и поверхностно-активного соединения аминного типа (КАДЭМ-ВТ).

При добавлении полученных гранул в нагретый битум при температуре 140-160°С и постоянном интенсивном перемешивании в лабораторной мешалке основная масса добавки (до 80%) расплавляется и равномерно распределяется в битуме уже по истечении 15 минут. В этих условиях расплавленная, главным образом, полимерная составляющая гранул (СЭВИЛЕН) образует с высокомолекулярными соединениями битума полимерно-битумное вяжущее. Присутствующие же в добавке нерасплавленные каучуковые частицы резиновой крошки, но частично поверхностно подвергнутые набуханию и деструкции уже при приготовлении гранул, находясь во взвешенном состоянии в образующемся ПБВ, образуют с ним новую упрочненно-сетчатую структуру. Более крупные нерасплавившиеся резинокаучуковые фрагменты гранул в дальнейшем при объединении ПБВ с минеральным материалом будут дисперсно армировать систему, способствуя образованию устойчивого стабильного высокопрочного асфальтобетона. Наличие в гранулах ПАВ (КАДЭМ-ВТ) обеспечивает повышенные адгезионные свойства получаемого ПБВ.

Анализ известных технических решений показал, что применение в составе асфальтобетонных смесей резиновой крошки, каучуковых и полимерных добавок известно. Однако их применение не обеспечивает асфальтобетону такие свойства, которые он проявляет в заявляемом решении в сочетании с ПАВ КАДЭМ-ВТ, а именно повышение водо- и теплоустойчивости (прочность при 50°С) и, как следствие, повышение сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий и их сопротивление к воздействию динамических нагрузок. Таким образом, данный состав компонентов придает асфальтобетонным смесям новые свойства.

Характеристика исходных материалов

1. Нефтяной битум

Таблица 1
Физико-механические показатели битума БНД 60/90
Пенетрация, 0,1 мм при	Растяжимость, см, при	Температура °С	Интервал пластичности	Прилипаемость
25°С	0°С	25°С	0°С	размягчения	хрупкости	к песку	к мрамору
74,0	26,0	>100	4,9	48	-19	67	Не выдерживает
образец №3	Образец №2

2. Песок природный

В качестве песка использовался природный речной песок, отобранный в Донском ковше. Зерновой состав песка привезен в таблице 2. Насыпная плотность песка 1250 г/см³, истинная плотность 2,65 г/см³.

3. Минеральный порошок

Таблица 2
Зерновые составы минеральных материалов
Наименование материала	Прошло через сито, мм
5	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,071
Отсев дробления щебня (фр. 0-5 мм)	98,85	81,04	33,2	15,7	10,1	9,3	2,1
Песок природный	100,0	99,8	99,5	97,9	72,3	24,3	4,4
Минеральный порошок	100,0	100,0	100,0	99,94	97,72	98,35	83,14

4. Отсев дробления щебня

В качестве отсева дробления щебня фракции 0-5 мм использовался отсев щебня (гранитный), полученный в процессе дробления щебня ОАО «Павловскгранит», марка 1300, истираемость И-1, истинная плотность 2,72 г/см³. В таблице 2 приведен зерновой состав отсева дробления щебня.

5. Резиновая крошка

Использовалась резиновая крошка размером до 0,5-0,6 мм (отход дробления старых автопокрышек).

6. Нефтяной гудрон (сырье для производства вязких нефтяных дорожных битумов) отобран на битумной базе Павловского ДРСУ Краснодарского края. По показателям свойств (см. табл.3) соответствует марке СБ первого сорта (ТУ 38 101583, сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов).

Таблица 3
Физико-механические показатели гудрона (нефтяного сырья для производства дорожных битумов)
Вязкость условная при 80°С с диаметром отверстия 5 мм, сП	Температура вспышки	Содержание воды	Плотность, г/см3 при 20°С	Марка сырья
52	205	следы	0,991	СБ первого сорта

7. Полимерный компонент (СЭВИЛЕН)

В работе использовался полимерный отход гидроизоляции трубопроводов, входящий в состав усадочного материала. Представлен СЭВИЛЕН высокомолекулярными соединениями, относящимися к полиолефинам. Изготавливается он на основе сополимера этилена с этилен винилацетатом. СЭВИЛЕН удовлетворяет требованиям ТУ 6-05-1635-97 «Сэвилен» (марок 11507-070, 11706-210, 11808-340), с содержанием в нем полиэтиленвинилацетата в количестве 21-30%. При комнатной температуре СЭВИЛЕН - твердое вещество, используется в расплавленном состоянии при 120-200°С. В таблице 4 приведены качественные показатели использованного в работе материала.

Таблица 4
Качественные показатели СЭВИЛЕНА
Плотность г/см3	Показатель текучести расплава г/10 мин при температуре 125°С	Массовая доля винилацетата, %	Прочность при разрыве, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Метод переработки
0,948	15,1	24	5,35	601	компаундирование

8. Шлам химводоочистки ТЭЦ

Отобран шлам на ТЭЦ-2 г.Ростова-на-Дону на узле химводоочистки при умягчении речной воды гашеной известью и содой. Содержащиеся в воде гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды кальция и магния переходят в нерастворимый осадок, состоящий в основном из карбоната кальция и гидроксида магния. В сутки в отвалы выбрасывается до 16 т шлама.

В таблице 5 приведен химический состав шлама, в таблице 6 зерновой состав.

Высушенный и растертый шлам представляет собой тонкодисперсную пыль желтого цвета с удельной поверхностью до 7500 см²/г, что обеспечивает большую адсорбционную способность шлама (остаток на сите 0,071-9,3%). Насыпная плотность шлама 0,76 г/см³ истинная - 2,61 г/см³.

9. Катионный реагент КАДЭМ-ВТ

Катионный реагент КАДЭМ-ВТ изготавливается в соответствии с техническими условиями ТУ 2482-009-04706205-03. Реагент КАДЭМ-ВТ представляет собой смесь алкиламидополиаминов и алкилимидазолинполиаминов, полученных на основе кислот C₁₆-C₂₀ растительного и (или) животного происхождения. Структурные формулы:

алкиламидополиамины -

алкилимидазолинполиамины

КАДЭМ-ВТ не растворяется в воде, хорошо растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле), керосине, в нефтепродуктах.

Органолептические и физико-химические показатели добавки КАДЭМ-ВТ приведен в таблице 7.

Таблица 5
Химический состав шлама химводоочистки
Массовое содержание, %
Н2O	ППП	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	TiO	FeO	Na2O+K2O
2.47	40,95-41,19	5,92-6,21	0,98-1,07	2,31-2,58	43,95-44,27	4,51-4,79	0,32-0,41	0,09-0,13	0,31-0,42	0,29-0,35

Таблица 6
Зерновой состав шлама химводоочистки ТЭЦ-2
Массовая доля, % зерен минерального материала мельче, мм
0,63	0,315	0,14	0,071
	98,7	94,4	91,5

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены 5 вариантов составов смесей ингредиентов. При приготовлении смесей использовались вышеописанные материалы. Образцы изготавливались следующим образом: в предварительно нагретый до температуры 160-170°С минеральный материал вводился резиновый модификатор, смесь тщательно перемешивалась в лабораторной мешалке 30-40 сек. Затем вводился нагретый до 140-150°С нефтяной битум БНД 60/90. Все компоненты вновь перемешивались до образования однородной смеси. Далее из нее готовились образцы под давлением 40 МПа, диаметром 70,1 мм. Результаты сравнительных испытаний сведены в таблицу 8. Резиновый модификатор готовят следующим образом. В разогретый до 140-150°С нефтяной гудрон добавляют ПАВ КАДЭМ-ВТ, перемешивают до гомогенного состояния, затем вводят резиновую крошку и вновь тщательно перемешивают. Полученную смесь нагревают при той же температуре в течение 3 часов, после чего вводится при перемешивании шлам химводоочистки и вся смесь нагревается еще в течение часа также при 140-150°С. Затем в полученную пастообразную массу добавляется СЭВИЛЕН и все перемешивается в экструдере. Полученные гранулы вводятся в асфальтобетонную смесь.

Из данных таблицы 8 следует, что асфальтобетонная смесь предлагаемого состава обеспечивает повышение прочностных показателей асфальтобетона, в частности предел прочности при 50°С, что особенно важно для южных регионов страны, для повышения сдвигоустойчивости покрытий дорог при сохранении высоких значений показателей коэффициента водостойкости (1,0-1,01). По сравнению со смесью без добавок показатель увеличился почти в 2,2 раза.

Кроме того, достигнут эффект утилизации отходов шинной резины.

Таблица 8
Составы предлагаемых асфальтобетонных смесей и их физико-механические свойства
Наименование показателей	Состав предлагаемый	Известные
1	2	3	4	5	исходный битум без добавки	прототип
Состав асфальтобетонной смеси, мас.%
Битум БНД 60/90	6,0	5,5	5,0	4,7	4,3	5,8	5,0-6,5
Резиновый модификатор	1,2	1,5	1,0	0,8	1,7	-	-
Песок	13,0	10,0	17,5	22,0	14,0	15	16-20
Минеральный порошок	9,0	11,0	9,5	8,0	12,0	8,0	10-15
Отсев фр. 0-5 мм	70,8	72,0	67,0	64,5	68,0	71,2	57-68,2
Свойства асфальтобетонной смеси
Плотность, г/см3	2,38	2,40	2,40	2,39	2,37	2,43	-
Водонасыщение, %	1,40	2,08	2,7	3,12	4,2	2,13	2,38-3,01
Предел прочности при сжатии, при °С 0, 20, 50	10,7 3,94 1,88	9,96 4,81 2,57	10,1 4,95 2,70	10,5 5,58 2,65	11,21 6,01 2,02	11,52, 5,0 1,22	- 4,56-5,35 1,45-1,65
Коэффициент водостойкости	0,91	0,99	1,01	0,99	0,87	0,90	0,98-0,99

Асфальтобетонная смесь, включающая песок, минеральный порошок, отсев дробления щебня - фракция 0-5 мм, нефтяной битум, отличающаяся тем, что дополнительно содержит резиновый модификатор, включающий резиновую крошку (РК), поверхностно-активное вещество (ПАВ) - КАДЭМ-ВТ, полимерную добавку СЭВИЛЕН (ПД), шлам химводоочистки ТЭЦ (ШХТ) и нефтяной гудрон (НГ), в котором соотношение РК:ПАВ:ПД:ШХТ:НГ составляет мас.% от 26:2:12:12:48 до 39:1:8:8:44 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

песок	10,0-22,0
минеральный порошок	8,0-11,0
отсев дробления щебня	64,5-72,0
фракция	0-5 мм
нефтяной вязкий битум	4,7-5,5
резиновый модификатор	0,8-1,5