Асфальтобетонная смесь
Владельцы патента RU 2487095:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов и может быть использовано для устройства покрытий автомобильных дорог, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий во всех климатических зонах. Технический результат: повышение предела прочности при 50°С, морозостойкости, водостойкости и снижение водонасыщения. Асфальтобетонная смесь содержит нефтяной битум, известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок и полимерную добавку, причем в качестве полимерной добавки содержит жидкий дивинилпипериленовый каучук СКДП-Н и дополнительно этилсиликат-40 при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной битум - 4,9-6,6, известняковый щебень указанной фракции - 25-40, песок указанной фракции - 43-64,5, минеральный порошок - 5-10, жидкий каучук СКДП-Н - 0,1-0,7, этилсиликат-40 - 0,1-0,7. 6 табл.
Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов и может быть использовано для устройства покрытий автомобильных дорог, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий во всех климатических зонах.
Известна асфальтобетонная смесь, содержащая стандартные компоненты: отсев дробления щебня, песок, минеральный порошок, нефтяной битум. При этом смесь содержит дополнительные компоненты: вулканизированный каучук и композит модифицирующих компонентов, состоящий из метасиликата кальция игольчатой структуры, смолы эпоксидной, нитрозоаминного соединения, фенольной смолы и/или канифоли, которые находятся между собой в соотношении по массе в %: метасиликат кальция игольчатой структуры - 24%, смола эпоксидная - 2%, нитрозоаминное соединение - 1%, фенольная смола и/или канифоль - 4%, вулканизированный каучук (резиновая крошка) - 69%, при следующем соотношении: стандартные компоненты по массе в % - 98,5-99,5, дополнительные компоненты по массе в % 0,5-1,5. (Патент РФ №2381194 С1, дата приоритета 08.09.2008, дата публикации 10.02.2010, автор Колеров B.C., RU)
Недостатком известной смеси является низкая водостойкость (коэффициент водостойкости 0,85-0,97).
Известна также асфальтобетонная смесь, содержащая в качестве минерального материала известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок, в качестве связующего вязкий битум, в качестве структурирующего компонента шлам химводоочистки ТЭЦ, а в качестве пластифицирующей и структурирующей добавки СВБ-М - масляный раствор синтетического высокомолекулярного полибутадиенового каучука модифицированного при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной вязкий битум - 5-6,5; масляный раствор синтетического высокомолекулярного полибутадиенового каучука модифицированного СВБ-М - 0,15-0,30; шлам химводоочистки ТЭЦ-2 - 2-4; известняковый щебень фракции 5-20 мм - 25-35; минеральный порошок - 1-3; песок фракции до 5 мм - остальное. (Патент РФ №2119465 C1, дата приоритета 14.04.1997, дата публикации 27.09.1998, авторы Илиополов С.К. и др., RU)
Недостатком этой смеси является низкая водостойкость (коэффициент водостойкости 0,97-0,99) и небольшое значение прочности при 50°C (2,45-2,55 МПа).
Наиболее близким аналогом предлагаемой асфальтобетонной смеси можно признать асфальтобетонную смесь для дорожного строительства, содержащую известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок, вязкий нефтяной битум и полимерную добавку. В качестве полимерной добавки эта смесь содержит вторичный полиэтилентерефталат в виде б/у пластиковых бутылок, при следующем соотношении компонентов, мас.%: известняковый щебень фракции 5-20 мм - 35-45; нефтяной вязкий битум - 5,0-5,5; минеральный порошок из доломитовых или известняковых пород - 3-8; указанная полимерная добавка - 0,1-0,25 от массы битума; песок фракции до 5 мм - остальное. (Патент РФ №2262492 C1, дата приоритета 06.04.2004, дата публикации 20.10.2005, авторы Котенко Н.П. и др., RU, прототип)
Недостатками прототипа являются: большое значение прочности при 0°C, так как высокое значение прочности при 0°C является причиной низкой эластичности асфальтобетона при отрицательных температурах, что может привести к образованию трещин в зимних условиях в дорожных покрытиях (предел прочности при сжатии при 0°C равен 14 МПа); высокое водопоглощение (1,6%); небольшая прочность при 50°C (предел прочности при 50°C равен 2,5 МПа); низкая водостойкость (коэффициент водостойкости равен 0,98).
Задача, решаемая посредством предлагаемых составов асфальтобетонных смесей, состоит в расширении сырьевой базы путем использования отходов при получении цемента (пыли-уноса) для получения асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами на основе новых составов смесей.
Технический результат, получаемый при реализации асфальтобетонных смесей предлагаемых составов, состоит в повышении предела прочности при 50°С, морозостойкости, водостойкости и снижении водонасыщения.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата асфальтобетонная смесь, содержащая нефтяной битум, известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок и полимерную добавку, согласно изобретению в качестве полимерной добавки содержит жидкий дивинилпипериленовый каучук СКДП-Н и дополнительно этилсиликат-40 при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной битум - 4,9-6,6; известняковый щебень указанной фракции - 25-40; песок указанной фракции - 43-64,5; минеральный порошок - 5-10; жидкий каучук СКДП-Н - 0,1-0,7; этилсиликат-40 - 0,1-0,7.
Для осуществления изобретения производят подготовку компонентов и их испытание в соответствии с требованиями стандартов:
- ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», МНТКС, Москва, 2010;
- ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства», МНТКС, Москва, 1998;
- ГОСТ Р 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей», МНТКС, Москва, 2003;
- ГОСТ 222245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие», МНТКС, Москва, 1991.
На достижение технического результата оказывают влияние свойства исходных материалов.
Характеристика исходных материалов.
1. В качестве крупного заполнителя асфальтобетонной смеси использовался известняковый щебень фракции 5-20 мм Березовского карьера г.Красноярска. Зерновой состав и свойства щебня приводятся в таблице 1.
2. В качестве мелкого заполнителя применялся песок фракции 0-5 мм того же Березовского карьера г.Красноярска. Свойства и зерновой состав песка приводятся в таблице 1.
3. В качестве минерального порошка использовалась пыль-уноса Красноярского цементного завода. Свойства пыли-уноса и ее зерновой состав приводятся в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Свойства минеральных заполнителей асфальтобетона | ||||||||||
| Наименование материалов | Процентное содержание частиц мельче сит, мм | Плот- ность, г/см3 |
Удельная поверхность, см2/г | |||||||
| 15 | 10 | 5 | 2,5 | 1,25 | 0,63 | 0,31 4 | 0,14 | |||
| Щебень | 100 | 41,6 | 5,6 | 1,6 | 1,1 | 0,7 | 0,4 | 0,16 | 2,73 | 1,5 |
| Песок | - | - | 100 | 71 | 63,7 | 50,2 | 37,4 | 7,6 | 2,54 | 180,6 |
| Пыль-уноса | - | - | 100 | 99,5 | 99 | 98,6 | 98,1 | 95,6 | 2,93 | 5115,1 |
Как видно из таблицы 1, пыль-уноса по зерновому составу отвечает требованиям ГОСТ Р 52129-2003 и может использоваться в качестве минерального порошка в асфальтобетоне. Возможно также использование других минеральных порошков, отвечающих требованиям ГОСТ Р 52129-2003.
4. В качестве вяжущего применялся битум марки БНД 60/90 Ачинского НПЗ. Свойства битума в сравнении с требованиями ГОСТ 222245-90 приводятся в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| Свойства битума | ||
| Наименование показателей | Свойства | Требования ГОСТ |
| 1. Температура размягчения по «КиШ», °С | 48 | не ниже 47 |
| 2. Глубина проникания иглы, мм·10-1 | ||
| при 25°C | 64,3 | 61-90 |
| при 0°C | 29,3 | не менее 20 |
| 3. Растяжимость, см | ||
| при 25°C | больше 1 м | не менее 50 |
| при 0°C | 7,5 | не менее 3,5 |
| 4. Водопоглощение под вакуумом, % | 0,45 | - |
| 5. Температура хрупкости по Фраасу, °C | -20 | не выше -15 |
Как видно из таблицы, битум по всем показателям отвечает требованиям ГОСТ.
5. В качестве полимерной добавки применялся жидкий каучук СКДП-Н по ТУ 2294-076-05766741-97, который является продуктом совместной полимеризации бутадиена с пипериленом в соотношении 50:50. Каучук СКДП-Н вырабатывается из недефицитного сырья и может быть доступен строительным организациям. Этот каучук имеет низкую температуру стеклования, легко совмещается с битумом при использовании обычного смесительного оборудования, так как его можно вводить в битум без подогрева. Кроме того, он имеет хорошую диффузионную способность, благодаря чему получаются однородные смеси его с битумом. В процессе приготовления битумополимерных композиций происходит реакция полимеризации каучука СКДП-Н при воздействии относительно невысоких температур. Введение каучука в асфальтобетон будет приводить к повышению морозостойкости и водостойкости асфальтобетона.
Свойства каучука приводятся в таблице 3.
| Таблица 3 | |
| Свойства каучука СКДП-Н | |
| Показатели | Свойства |
| 1. Плотность при 20°C, г/см3 | 0,65 |
| 2. Содержание летучих компонентов, % | 5 |
| 3. Динамическая вязкость при 25°C, П | 87 |
| 4. Температура стеклования, °C | -80 |
| 5. Молекулярная масса, а.е.м. | 1600 |
| 6. Внешний вид | Прозрачная масса |
6. В связи с тем, что каучук СКДП-Н жидкий, он будет снижать прочность асфальтобетона при 50°C и увеличивать водопоглощение. С целью улучшения показателей по водопоглощению и теплостойкости в битумно-каучуковое вяжущее дополнительно вводили этилсиликат-40. Кроме этилсиликата-40, выпускаются этилсиликаты марок 32 и 50. Этилсиликаты - это техническое название олигомерных этиловых эфиров ортокремниевой кислоты, содержащие в основном смесь линейных полимеров. В зависимости от степени полимеризации, следовательно, от содержания кремния (в пересчете на SiO2) этилсиликаты классифицируются на марки. С повышением марки увеличивается вязкость этилсиликатов. Был выбран этилсиликат-40, который содержит более высокомолекулярные продукты, поэтому в большей степени, чем этилсиликат-32, будет улучшать свойства битума, и он более жидкий, чем этилсиликат-50, поэтому будет лучше совмещаться с битумом. Этилсиликат-40 (ЭТС-40) выпускается по ГОСТ 26371-84. Этилсиликат - 40 - прозрачная, маловязкая жидкость. Обладает повышенной термостойкостью и может использоваться при температурах от -60 до +6°C. Этилсиликат-40 является эффективной универсальной добавкой, улучшающей эластичность при отрицательных температурах и водостойкость асфальтобетона, а также прочность сцепления битума с минеральными заполнителями. Этилсиликат-40 в битуме выполняет двойную роль: одновременно является пластифицирующей и структурирующей добавкой. При приготовлении композиций этилсиликат-40 в битуме находится в жидком состоянии, растворяется в маслах битума, увеличивая содержание морозостойкой части битума, т.е. выполняет роль пластифицирующей добавки. Затем в присутствии воды происходит его гидролиз в битуме. Этилсиликат-40 в битуме образует эластичный каркас из полимерных продуктов. Поэтому введение этилсиликата-40 в битум совместно с каучуком СКДП-Н приводит к еще большему увеличению водостойкости и морозостойкости, а также к снижению водонасыщения и увеличению прочности при 50°C асфальтобетона. Свойства этилсиликата-40 приводятся в таблице 4.
| Таблица 4 | |
| Свойства этилсиликата-40 | |
| Наименование показателей | Свойства |
| 1. Содержание SiO2, % | 40 |
| 2. Плотность при 20°C, г/см3 | 1,05 |
| 3. Продолжительность гелеобразования, мин | 180-280 |
| 4. Массовая доля тетраэтоксисилана, % | 10-15 |
| 5.Температура самовоспламенения, °C | 240 |
| 6.Температура замерзания, °C, ниже | -60 |
Технологический процесс приготовления асфальтополимербетонных смесей состоит: из подготовки битума и приготовления полимербитумного вяжущего, рассева и нагрева минеральных материалов, дозирования ингредиентов и их смешения. Приготовление битума заключается в его расплавлении, обезвоживании путем нагрева при температуре 100-110°C до прекращения выделения пены и нагреве до рабочей температуры 150-160°C. Приготовление полимербитумного вяжущего заключается в перемешивании разогретого до рабочей температуры битума с каучуком СКДП-Н и этилсиликатом-40. Вначале производят перемешивание битума с каучуком СКДП-Н при температуре 150-160°C. Для этого каучук небольшими порциями при непрерывном перемешивании вливают в битум. После введения всего количества каучука необходим прогрев смеси при рабочей температуре не менее 3-4 часов. Затем смесь охлаждают до температуры 100-110°C при постоянном перемешивании вводят этилсиликат-40. Прогрев смеси после введения всего количества этилсиликата-40 допускается не более 15-20 мин.
Подготовка минеральных составляющих заключается в подогреве песка и щебня до температуры 120-130°C. Минеральный порошок подается в холодном состоянии. Температура перемешивания полимербитумного вяжущего с минеральными материалами должна составлять 110-120°C. Время перемешивания должно составлять 1-2 мин.
Качество асфальтобетона определялось по методикам ГОСТа 12801-98 и сравнивалось со свойствами асфальтобетона из прототипа.
Преимущества предлагаемых составов асфальтобетонных смесей с применением жидкого каучука и этилсиликата-40 показаны на составах мелкозернистых смесей, которые по своим гранулометрическим составам удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2009, предъявляемым к смесям типа «Б». Готовили четыре состава асфальтобетонной смеси. Составы асфальтобетонной смеси приводятся в таблице 5.
| Таблица 5 | ||||
| Составы асфальтобетонной смеси | ||||
| Компоненты | Содержание составов, мас.% | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Битум | 4,9 | 5,3 | 5,1 | 6,6 |
| Щебень | 25 | 30 | 35 | 40 |
| Песок | 64,5 | 57,0 | 50,5 | 43 |
| Пыль-унос | 5 | 7 | 8 | 10 |
| Каучук СКДП-Н | 0,1 | 0,6 | 0,7 | 0,2 |
| Этилсиликат-40 | 0,5 | 0,1 | 0,7 | 0,2 |
Свойства указанных составов асфальтобетона в сравнении со свойствами асфальтобетона из прототипа приводятся в таблице 6.
| Таблица 6 | |||||
| Свойства асфальтобетонных смесей | |||||
| Наименование показателей | Предлагаемые составы | Прототип | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| Предел прочности при сжатии при 50°C, МПа | 2,7 | 2,8 | 3,1 | 2,9 | 2,5 |
| Предел прочности при сжатии при 0°C, МПа | 5,8 | 5,9 | 5,4 | 5,0 | 14 |
| Коэффициент водостойкости | 1,2 | 1,5 | 1,4 | 1,3 | 0,98 |
| Водонасыщение, % объема | 0,44 | 0,46 | 0,68 | 0,52 | 1,6 |
Из таблицы 6 следует, что асфальтобетонная смесь предлагаемого состава обладает значительно более высоким значением коэффициента водостойкости, чем этот же показатель у прототипа. Это объясняется тем, что прочность асфальтобетона в воде больше, чем на воздухе за счет того, что этилсиликат-40 в воде гидролизуется с образованием полимерных гелевых продуктов гидролиза, структурирующих битум. Также у предлагаемого состава асфальтобетона достигнуты лучшие значения по прочности при 50°C и водопоглощению. Кроме этого, предел прочности при сжатии при 0°C у предлагаемых составов меньше, чем у прототипа, что свидетельствует об их лучшей эластичности и трещиностойкости при отрицательной температуре.
Асфальтобетонная смесь, содержащая нефтяной битум, известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок и полимерную добавку, отличающаяся тем, что в качестве полимерной добавки содержит жидкий дивинилпипериленовый каучук СКДП-Н и дополнительно этилсиликат-40 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| нефтяной битум | 4,9-6,6 |
| известняковый щебень указанной фракции | 25-40 |
| песок указанной фракции | 43-64,5 |
| минеральный порошок | 5-10 |
| жидкий каучук СКДП-Н | 0,1-0,7 |
| этилсиликат-40 | 0,1-0,7 |
