Способ приготовления асфальтобетонной смеси

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при устройстве дорожных покрытий. Технический результат - увеличение природных ресурсов для минеральных порошков за счет утилизации мелкодисперсных кварцевых песков, а также прочности при сжатии при температуре t=20-50°C. Способ приготовления асфальтобетонной смеси, заключающийся в том, что берут в качестве вяжущего битумно-вермикулитовую композицию, обжигают тонкомолотую породу из группы гидрослюд, отделяют вспученный вермикулит фракции 0,6-1 мм, смешивают с минеральным порошком, щебнем, кварцевым песком и разогретым битумом. Тонкомолотую породу из группы гидрослюд обжигают совместно с минеральным порошком, в качестве которого берут мелкодисперсный немолотый кварцевый песок - отход угледобычи с фракцией менее 0,315 мм и фракцией 0-0,07 мм после обжига - 70-72 мас.%, причем в его состав дополнительно вводят до недостающего примеси пылевидного известняка 2,5-3,5 мас.% (в пересчете на СаО) от массы обожженного кварцевого песка, щебень берут из известняка, вспученного вермикулита 1,4-1,6 мас.% от массы вяжущего и обожженного кварцевого песка 9,4-9,9 мас.%. 2 табл.

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при устройстве дорожных покрытий.

Известен способ приготовления асфальтобетонной смеси путем активирования известью щебня из кварцсодержащих горных пород (кварцита, андезита, гранита), а также кварцевого песка, чтобы увеличить адгезию с битумом и прочность асфальтобетона. Количество извести берут от 1,5 до 4 мас.% от массы активирующих кварцсодержащих материалов (см. А.М.Юндин. Битуминозные дорожно-строительные материалы: Учеб. Пособие. - Ростов н/Д; Рост. гос. строит. Ун-т, 2001. - 140 с.: ил., с.35,65).

Известный способ с применением активирования и предварительного приготовления минерального порошка с последующим его введением в минеральную составляющую заполнителей (щебня, песка) и перемешивания с разогретым до 160°С битумом, позволяет повысить качество асфальтобетона (прочность, теплостойкость, экономиться битум).

Наряду с достоинствами известного способа, имеются и недостатки, конкретно:

а) Усложняется технология подготовки известнякового минерального порошка вследствие необходимости тонкого измельчения, в том числе и извести, предназначенной для активации кварцсодержащих материалов.

б) Требуется индивидуально обжигать известняк для получения извести, что связано с затратой топлива.

Известен и второй традиционный способ приготовления асфальтобетонной смеси типа «Б» путем смешения компонентов минеральной составляющей, то есть минерального порошка преимущественно тонкомолотого известняка с заполнителями (щебнем и песком) с последующим смешением сухой смеси с расплавленным битумом или путем смешения расплавленного битума с минеральным порошком с последующим смешением композиционного вяжущего с указанными заполнителями.

Состав асфальтобетонной смеси типа «Б» регламентирован ГОСТом (см. ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон». Дата введения: с 1991-01-01).

В соответствии с рекомендацией и требованиями ГОСТ 9128-97 асфальтобетонная смесь типа «Б», изготовляемая традиционным вышеприведенным способом, включает, мас.%:

- Битум	5-6,5
(см. ГОСТ 9128-97 приложение «Г»)
- Щебень (мелкий с d=5-20%)	40-50
(См. ГОСТ 9128-97 п.4.5)
- Минеральный порошок, в том числе
и мелкодисперсные отходы
(См. ГОСТ 9128-97, п.5.15.3),
а также песок	остальное

Наиболее близкий способ приготовления асфальтобетонной смеси к предлагаемому приведен в работе (В.Н.Агейкин, Л.ЕСвинтицких, Т.Н.Шабанова, А.А.Клюсов. Исследование влияния вспученного вермикулитового песка на свойства битумных композиций и асфальтобетона. М.: // Строительные материалы, № 7, 2003, с.40-42. Конкретно с.42, табл.5 БВК (3,5%) - прототип).

В известном способе (прототипе) приведен традиционный способ получения асфальтобетона типа «Б» с элементом новизны, то есть для оптимального состава асфальтобетонной смеси с использованием битумно-вермикулитовой композиции (БВК) 2,5-3,5%, содержащей в составе битума нефтяного дорожного марки БНД 90/130 2,5-3,5 мас.% вспученного вермикулита фракции 0,6-1 мм.

Свойства асфальтобетонной смеси с применением БВК 3,5% на с.42, табл.5 указанной статьи.

Известный способ приготовления асфальтобетона типа «Б» на основе битумно-вермикулитовой композиции БВК включает

Обжиг тонкомолотой породы из группы гидрослюд, отделение фракции 0,6-1 мм в количестве 2,5-3,5 мас.% с последующим смешением с минеральным известняковым порошком, гранитным щебнем, кварцевым песком и разогретым битумом.

Наряду с достоинствами известного способа (увеличивается теплостойкость, морозостойкость, водостойкость), имеются и недостатки:

1) Низкая прочность при сжатии, в том числе и для оптимального состава с применением вспученного вермикулита 3,5%, взятого от массы битума при t=20 и 50°С:

R₂₀=3 МПа; R₅₀=1,0 МПа (см. табл.5 с.42 прототип).

2) Требуется тонкое измельчение известняка для получения минерального порошка, причем не в каждом регионе России и др. странах имеется известняк.

3) Требуется повышенный расход вспученного вермикулита 2,5-3,5 мас. %.

4) Не использован метод активации известью кварцсодержащих компонентов (гранитного щебня, кварцевого песка), повышающий силу сцепления этих материалов с битумом, как рекомендовано в приведенном аналоге № 1.

На таблице 1 представлен состав смеси, приготовленный известным способом (№ 5) и предлагаемым (1; 2; 3; 4). Составы № 1 и № 4 - запредельные. На таблице 2 указаны физико-механические свойства асфальтобетона типа «Б» марки II для 1-й климатической зоны.

Задача изобретения - увеличить природные ресурсы для минеральных порошков за счет утилизации мелкодисперсных кварцевых песков, а также прочность при сжатии при температуре t=20-50°С с предусмотрением расхода вспученного вермикулита.

Для реализации задачи способа приготовления асфальтобетонной смеси берут в качестве вяжущего битумно-вермикулитовую композицию, обжигают тонкомолотую породу из группы гидрослюд, отделяют вспученный вермикулит фракции 0,6-1 мм, смешивают с минеральным порошком, щебнем, кварцевым песком и разогретым битумом, обжиг породы из гидрослюд осуществляют совместно с минеральным порошком, в качестве которого берут мелкодисперсный (немолотый) кварцевый песок-отход угледобычи с фракцией менее 0,315 мм и фракцией 0-0,07 мм (после обжига) - 70-72 мас.%, причем в его состав дополнительно вводят до недостающего примеси пылевидного известняка 2,5-3,5 мас.% (в пересчете на СаО) от массы обожженного кварцевого песка, щебень берут из известняка, вспученного вермикулита 1,4-1,6 мас.% от массы вяжущего и обожженного кварцевого песка 9,4-9,9 мас.%.

Характеристика материалов, принятых в опытах реализации способа.

1. Связующее. Битум нефтяной дорожный марки БНД 90/130, отвечающий требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Щебень из плотного известняка, фракции 5-20 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 3344.

3. Кварцевый песок (речной) фракции 0,14-5 мм по ГОСТ 8736.

4. Вспученный вермикулитовый порошок фракции 0,6-1 мм. Получен вспучиванием тонкомолотой пылевидной породы из группы гидрослюд в процессе обжига при t=1000°C. Формула вермикулитовой породы (гидрослюды) - 4,5H₂O-Mg_0,3-0,4(Al₂Si₆)·(Mg,Fe,Al)₆·О₂₀(OH₄).

В опытах принят вермикулит с насыпной плотностью 185 кг/м³ (М200).

5. Кварцевый песок - отход угледобычи (бурого угля), фракции 0-0,315 мм с пылевидной 0-0,14 мм 99-99,5%.

Химический состав до термообработки, мас.%:

- SiO2	87-90
- уголь	3,1-5,2
- гидрослюда	1,5-2
- карбонаты	4,2-6,2

(3-3,5% в пересчете на СаО).

Насыпная плотность 1520-1550 кг/м³.

После термообработки в результате полиморфных превращений кварца, выгорания угля, разложения карбонатов дисперсность песка увеличилась до содержания фракции 0-0,07 мм 70-72%, а содержание извести в песке от разложения известняка - составило 2,5-3,5% от массы термообработанного и отсеянного песка.

Опыт реализации предлагаемого способа приготовления асфальтобетонной плотной смеси типа «Б».

Пример 1

Для состава и способа № 3 (см. табл.1). (Осуществлен на кирпичном заводе с целью моделирования).

Вначале смешали в произвольном соотношении (1:1 по объему) тонкомолотую породу из группы гидрослюд с мелкодисперсным кварцевым песком-отходом угледобычи. Смесь сухих порошков (10 кг) поместили в виде слоя на дно (под) кольцевой печи кирпичного завода и обжигали совместно с керамическим кирпичом-сырцом при t=1000°С.

После обжига смесь из обожженного песка со вспученным вермикулитом собрали пылесосом и просеяли через каскад трех сит с размерами отверстий 0,315; 0,6; 1 мм. При рассеве весь обожженный кварцевый песок прошел через все три сита, а на всех остальных задержался вспученный вермикулит, в том числе и тот, который образовался от вспучивания микрочастиц гидрослюды, содержащейся в роли примеси в составе обжигаемого песка. Вермикулит, оставшийся на сите с d=0,6 мм и прошедший через сито с d=1 мм, принят для дальнейшей реализации способа, то есть дозировали по массе 0,940 кг (9,4%) обожженного песка фракции менее 0,315 мм и с пылевидной менее 70-72% с фракцией менее 0,07 мм, причем содержащим в своем составе 3,25% СаО (извести) или 0,031 кг (31 г СаО). Данное количество песка 0,940 кг смешали с 0,01 кг (10 г) - 0,1% вспученного вермикулита с известняковым щебнем фракции 5-20 мм, взятым в количестве 4,400 г (44%) и с 4 кг (40%) кварцевого песка

Одновременно при перемешивании осуществлялась активация известью кварцсодержащих компонентов. Смесь отдозированных компонентов при непрерывном перемешивании смешали с 0,65 кг (6,5 %) расплавленного при t=80°С битумом.

Из приготовленной смеси (10 кг) формовали стандартные образцы асфальтобетона, для которых определяли физико-механические свойства в соответствии с ГОСТ 12801-98.

Состав смеси и соответствующие свойства приведены в табл.1 и 2 (см. смесь и опыт № 3)

Пример 2

Аналогичным способом, приведенном в примере 1, приготовлены бетонные смеси типа «Б», № 1, № 2 и № 4 (см табл.).

Пример 3

(Для проверки способа прототипа).

Дозировали вспученный вермикулитовый песок фракции 0,6-1 мм, полученный при обжиге при t=1000°C породы из группы гидрослюд в количестве 0,024% от массы асфальтобетонной смеси типа «Б» или 3,5% от массы битума.

24 г вспученного вермикулита смешали с минеральным известняковым порошком, взятым в количестве 0,926 г (9,26% от массы асфальтобетонной смеси), с гранитным щебнем фракции 5-20 мм, взятым в количестве 4,4 кг и с кварцевым песком 4 кг. Все компоненты смешали и сухую смесь продолжили смешивать с расплавленным при t=80°C битумом, взятым в количестве 0,650 г (6,5 мас.%).

Из приготовленной асфальтобетонной смеси формовали стандартные образцы с последующим определением основных физико-механических свойств в соответствии с ГОСТ 12801-95. Результаты испытаний приведены в табл.2 (состав № 6 - прототип).

Аналогичным способом приготовляли смесь № 5.

Характеристика и сопоставительный анализ результатов испытаний ЛСБ, приготовленной предлагаемым способом.

1. Как видно из табл.1, составы приготовляемых смесей № 1-4 и прототипа № 5 и № 6 относятся к типу бетона «Б», так как количество нефтяного битума принято в пределах 5-6,5 мас.%, а количество щебня в пределах 40-50 мас.%.

2. Свойства асфальтобетонных смесей и соответствующие составы № 1 и № 4 следует отнести к запредельным, так как состав смеси №1, приготовленный предлагаемым способом, имеет прочность при сжатии и другие показатели, почти равные, с прототипом, а состав № 4 имеет параметры ниже способа с составом № 3.

3. Составы № 2 и № 3, приготовленные предлагаемым способом, являются оптимальными при соответствующем расходе битума соответственно 6 и 6,5 мас.%, причем при оптимальном расходе вспученного вермикулита фракции 0,6-1 мм 1,0-2,0 мас.%, а в составе прототипа 2,5-3,5% от массы битума, то есть расход вермикулита сокращается за счет способа в два раза, причем при увеличении прочности при сжатии (R₂₀) на 1,4 МПа (при расходе битума 6 мас.%) и на 3,8 МПа (при расходе битума 6,5 мас.%). Соответственно увеличивается и прочность при 50°С (R₅₀).

Остальные параметры отвечают требованиям ГОСТ 9128-97 (см. табл.2).

Таким образом, оптимальный состав асфальтобетонной смеси, приготовленный предлагаемым способом, включает расход вспученного вермикулита 0,1 мас.% (или 1,4-1,6% от массы битума). Наибольшая прочность при t=20 и 50°С наблюдается для состава №3, содержащего 1,5% вермикулитового порошка от массы битума, в то время как для прототипа при 3,5% от массы битума, что свидетельствует о более положительном влиянии минерального порошка, полученного предлагаемым способом, в сравнении с известным способом.

Эффект повышения прочности асфальтобетона, полученного предлагаемым способом в сравнении со способом прототипа, объясняется следующим физико-химическим процессом.

1. Предлагаемый способ порождает активацию кремнеземсодержащих компонентов без применения извести из вне, так как при обжиге (1000°С) примеси известняка (СаСО₃), содержащиеся в кварцевом песке, разлагаются, образуя в его составе известь 2,5-3,5% от массы этого песка.

Это положительно сказывается на прочности. В известном способе активация отсутствует, а количество кварцсодержащих кислых пород, учитывая и кварц в граните, увеличивается примерно на 20%.

2. В предлагаемом способе впервые показана возможность применения в качестве минерального порошка термообработанный при 1000°С и активизированный - мелкодисперсный (немолотый) кварцевый песок пылевидной фракции 0-0,07 мм не менее 70% вместо известнякового порошка.

В процессе обжига дисперсность песка значительно увеличивается за счет разложения микрочастиц СаСО₃ до СаО, полиморфного превращения кварца при t=573°С, дегидратации глинистых примесей, превращения частиц угля в золу.

Экономическая целесообразность предлагаемого способа, в сравнении с известным, следующая:

1. Исключается необходимость тонкого измельчения известняка для получения минерального порошка.

2. Утилизируются не только кварцевые пески - попутные отходы бурого угля, но и его тепломатериальная составляющая, так как при обжиге в его составе образуется известь, сгорает уголь, поддерживая температуру обжига, вспучиваются примеси гидрослюды, это приводит к экономии вермикулита, вводимого в состав асфальтобетона.

3. Благодаря совместному обжигу тонкомолотой породы из группы гидрослюд с мелкодисперсным песком в кольцевых печах совместно с кирпичом-сырцом не требуется (в сравнении с прототипом) теплоэнергозатрат на вспучивание гидрослюды и образования при этом вспученного вермикулитового порошка. Благодаря тугоплавкости обжигаемого продукта прилипание к кирпичу не наблюдается.

4. Указанная экономическая целесообразность способа, приведенная в п.1; 2; 3, позволяет снизить себестоимость асфальтобетона (в зависимости от количества утилизируемого песка) на 10-30% и увеличить долговечность службы асфальтобетона, так как повышается его прочность.

Таблица 1
Компоненты асфальтобетонной смеси типа «Б»	Номера и состав асфальтобетонных смесей, мас. %
1	2	3	4	5 прототип	6 прототип
1	2	3	4	5	6	7
1. Битум	6	6	6,5	6,5	6	6,5
2. Щебень фр. 5-20:
2.1. Известняковый	43	43	44	44	-	-
2.2. Гранитный	-	-	-	-	43	44
3. Кварцевый песок	41	41	40	40	41	40
4. Композиционный минеральный порошок
4.1. Вспученный вермикулитовый песок фр. 0,6-1 мм	0,16	0,10	0,10	0,15	0,16	0,24
4.2. Известняковый молотый порошок	-	-	-	-	9,84	9,26
4.3. Обожженный термообработанный немолотый кварцевый песок-отход угледобычи фракции 0-0,315 с пылевидной 0-0,07 мм 70-72 мас.% с содержанием извести 2,5-3,5 от массы обожженного продукта (песка)	9,84	9,9	9,4	9,35	-	-
Итого	100	100	100	100	100	100
Количество вспученного вермикулита в составе битумно-вермикулитового вяжущего, мас.%	2,6	1,6	1,5	2,26	2,6	3,5

Таблица 2
№ п/п (из табл. 1)	Наименование показателей	По ГОСТ 9128-97	Номера смесей и величина параметров свойств
			1	2	3	4	5	6
Прототип	Прототип
1	Прочность при 20°С R20, МПа, не менее	2,5	3,1	4,2	6,9	5,05	2,8	3,1
2	Прочность при 50°С R50, МПа, не менее	0,9	0,97	1,1	1,15	1,05	0,96	0,98
3	Прочность при 0°С R0, МПа, не более	9,0	7,8	7,4	7,2	8,8	8,2	7,60
4	Коэффициент водостойкости, не менее	0,9	0,92	0,98	0,99	0,9	0,95	0,98
5	Плотность, г/см3	-	2,3	2,29	2,33	2,35	2,26	2,28

Способ приготовления асфальтобетонной смеси, заключающийся в том, что берут в качестве вяжущего битумно-вермикулитовую композицию, обжигают тонкомолотую породу из группы гидрослюд, отделяют вспученный вермикулит фракции 0,6-1 мм, смешивают с минеральным порошком, щебнем, кварцевым песком и разогретым битумом, отличающийся тем, что обжигают тонкомолотую породу из группы гидрослюд совместно с минеральным порошком, в качестве которого берут мелкодисперсный немолотый кварцевый песок - отход угледобычи с фракцией менее 0,315 мм и фракцией 0-0,07 мм после обжига - 70-72 мас.%, причем в его состав дополнительно вводят до недостающего примеси пылевидного известняка 2,5-3,5 мас.% (в пересчете на СаО) от массы обожженного кварцевого песка, щебень берут из известняка, вспученного вермикулита 1,4-1,6 мас.% от массы вяжущего и обожженного кварцевого песка 9,4-9,9 мас.%.