Битумно-резиновое вяжущее (варианты) для асфальтобетона и способ его получения с использованием свч (варианты)
Владельцы патента RU 2731176:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") (RU)
Изобретение относится к области строительных материалов для автомобильных дорог и может быть использовано при получении вяжущего вещества в асфальтобетоне для повышения физико-механических свойств. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа получения битумно-резинового композита для применения в качестве вяжущего вещества в асфальтобетоне повышенного качества. Битумно-резиновое вяжущее, как варианты вяжущего, содержит битум, нефтяной пек, нефтяной мазут и резиновую крошку при различных их соотношениях. Вяжущее получают при перемешивании компонентов с использованием нагревания СВЧ. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства вяжущего, такие как температура размягчения, температура хрупкости и растяжимость. 10 н.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области дорожных материалов и может быть использовано в качестве вяжущего вещества для асфальтобетона. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства асфальтобетона, повысить адгезию вяжущего по отношению к каменным материалам.
Известно изобретение битумно-резиновая мастика (Патент РФ № 2426754 С1, МПК С08L, дата публикации: 20.08.2011), содержащая дорожный битум БНД 60/90, резиновую крошку и пластифицирующую добавку из строительной извести и минерального порошка, отличающейся тем, что дополнительно содержит полимерную добавку из резинового термоэластопласта РТЭП. При следующем соотношении компонентов, мас.%: битум БНД 60/90 68-78; резиновая крошка 9-13; резиновый термоэластопласт РТЭП 5-7. Пластифицирующая добавка при соотношении строительная известь минеральный порошок 3:7 8-12.
Недостатком является дополнительное использование пластифицирующей добавки и термоэластопласта РТЭП, что повышает стоимость конечного продукта.
Известно вяжущее (полиэтилен - гудроновое вяжущее – ПЭГВ) для дорожных покрытий (Патент РФ № 2519207 С1, МПК С08L, опубликован 10.06.2014). Вяжущее содержит, в мас.%: глубокоокисленный гудрон - 30-40; полиэтилен высокого давления - 1,5-3,5; серу элементарную - 0,15-0,45; прямогонный гудрон - до 100.
Недостатком является, что известное вяжущее характеризуется сильным токсичным запахом из-за применения серы элементарной.
Известна битумно-резиновая композиция (Патент РФ № 2462489 С2, МПК С08L, С08K, опубликован 27.09.2012) содержащая битум, резиновую крошку и девулканизующий агент. При этом в качестве девулканизующего агента используют наноразмерный кремнезоль. Соотношение компонентов следующее (м.ч.): битум - 100, резиновая крошка - 15-20, наноразмерный кремнезоль - 0,05-0,15. Битумнорезиновую композицию получают путем перемешивания исходных компонентов в герметичном реакторе при температуре 180-230°С в течение 80-120 мин.
Недостатком данной композиции является применение наноразмерного кремнезоля, который при подаче в реактор пылит, соответственно необходимо дополнительное оборудование по обеспыливанию.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип (Патент РФ № 2164927 С2, МПК С08L, С08L, опубликован 10.04.2001) является способ получения битумно-резиновой композиции получаемой смешением битума и резиновой крошки в герметичном реакторе в присутствии органического или неорганического основания при 160-230°С в течение 15-60 минут.
Недостатком данной композиции является необходимость фильтрования готовой продукции через металлическую сетку, что говорит о недостаточном растворении резины.
Задачей, на решение которой направлена заявляемое изобретение, заключается в создании способа получения битумно-резинового композита для применения в качестве вяжущего вещества в асфальтобетоне, повышенного качества.
Технический результат заключается в повышении температуры размягчения, растяжимости, уменьшении температуры хрупкости вяжущего вещества. А так же в повышении прочности при сжатии, водостойкости и понижению водонасыщения асфальтобетона.
Технический результат достигается тем, что битумно-резиновое вяжущее, включающее в состав разогретый битум, нефтяной пек, нефтяной мазут и резиновую крошку, согласно изобретению, имеет следующее соотношение компонентов при различных вариантах его: -битум БНД 100 /130 (570,6 г), нефтяного пека (28,5 г), нефтяного мазута (12,1 г), резиновой крошки (5,7 г),
- или битум БНД 100 /130 1 (502,0 г), нефтяного пека (50,2 г), нефтяного мазута (16,9 г), резиновой крошки (10 г),
-или битум БНД 100 /130 (320,0 г), нефтяного пека (48,0 г), нефтяного мазута (15,1 г), резиновой крошки (9,6 г),
- или битум БНД 100 /130 (550,0 г), нефтяного пека (110,0 г), нефтяного мазута (34,1 г), резиновой крошки (22,0 г),
-или битум БНД 100 /130 (550,0 г), нефтяного пека (137,5 г), нефтяного мазута (42,9 г), резиновой крошки (27,5 г).
Технический результат достигается и тем , что способ получения битумно-резиновых мастик, включает смешивание состава, обработку СВЧ-энергией и нагревание.
Согласно изобретению, перед смешиванием и нагревом СВЧ-энергией смесь предварительно нагревают в сушильном шкафу при температуре 165°С в течении 2 часов, при этом, перемешивание смеси (№1) происходит в течении 1 ч 15 минут до температуры 200,0°С; что перемешивание смеси (№2) происходит в течении 0 ч 40 минут до температуры 200,0°С, перемешивание смеси (№3) происходит в течении 1 ч 10 минут до температуры 156,0°С; перемешивание смеси (№4) происходит в течении 0 ч 30 минут до температуры 176,0°С; перемешивание смеси (№5) происходит в течении 0 ч 40 минут до температуры 180,0°С.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Проведенный дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков заявляемого битумно-резинового вяжущего и способа его получения
свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Приготовление смеси битумно-резинового вяжущего осуществлялось следующим образом:
Состав №1. В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 570,6 г, затем добавляли 28,5 г нефтяного пека, резиновой крошки 5,7 г и 12,1 г нефтяного мазута.
Состав №2. В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 502,0 г, затем добавляли 50,2 г нефтяного пека, резиновой крошки 10,0 г и 16,9 г нефтяного мазута.
Состав №3. В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 320,0 г, затем добавляли 48,0 г нефтяного пека, резиновой крошки 9,6 г и 15,1 г нефтяного мазута
Состав №4. В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 550,0 г, затем добавляли 110,0 г нефтяного пека, резиновой крошки 22,0 г и 34,1 г нефтяного мазута
Состав №5. В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 550,0 г, затем добавляли 137,5 г нефтяного пека, резиновой крошки 27,5 г и 42,9 г нефтяного мазута
Соотношение компонентов в процентах приведено в таблице 1.
Таблица 1
Соотношения компонентов
| №п/п | Компоненты (г) |
Номера составов | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| 1 | Битум | 570,6 | 502,0 | 320,0 | 550,0 | 550,0 | |
| 2 | Резиновая крошка | 5,7 | 10,0 | 9,6 | 22,0 | 27,5 | |
| 3 | Нефтяной мазут | 12,1 | 16,9 | 15,1 | 34,1 | 42,9 | |
| 4 | Нефтяной пек | 28,5 | 50,2 | 48,0 | 110,0 | 137,5 |
Затем смеси материалов ставили в сушильный шкаф на 2 часа при температуре 165°С. Периодически, через каждые 30 минут, смесь перемешивали на высокоскоростном диспергаторе. Далее смесь заливали в смеситель с СВЧ-нагревом. Перемешивание проводилось: для состава №1 1 час 15 минут до температуры 200°С, для состава №2 40 минут до температуры 200°С, для состава №3 1 час 10 минут до температуры 156°С, для состава №4 30 минут до температуры 176°С, для состава №5 40 минут до температуры 180°С.
Составы №1, №2, №3 по своей консистенции были однородные, состав №4 и №5 в своем составе имели частицы не разложившегося нефтяного пека и резиновой крошки, поэтому дополнительно обработаны диспергатором в течении 10 минут.
Результаты по определению физико-механических свойств вяжущего приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты физико-механических испытаний вяжущего
| №п/п | Наименование показателя | Номер состава | Показатели | |
| Единичное значение | Среднее значение | |||
| 1 | Температура размягчения, °С | 1 | +46,5 | +46,6 |
| +46,6 | ||||
| +46,6 | ||||
| 2 | +47,8 | +47,8 | ||
| +47,8 | ||||
| +47,7 | ||||
| 3 | +48,0 | +48,2 | ||
| +48,3 | ||||
| +48,2 | ||||
| 4 | +50,0 | +50,1 | ||
| +50,2 | ||||
| +50,0 | ||||
| 5 | +50,2 | +50,2 | ||
| +50,1 | ||||
| +50,2 | ||||
| 2 | Температура хрупкости, °С | 1 | -20,0 | -20,0 |
| -20,1 | ||||
| -20,0 | ||||
| 2 | -21,0 | -21,0 | ||
| -20,9 | ||||
| -21,0 | ||||
| 3 | -21,0 | -21,1 | ||
| -21,1 | ||||
| -21,1 | ||||
| 4 | -21,7 | -21,8 | ||
| -21,8 | ||||
| -21,7 | ||||
| 5 | -22,0 | -22,0 | ||
| -22,1 | ||||
| -22,0 | ||||
| 3 | Растяжимость при 0°С, см | 1 | 3,9 | 4,0 |
| 4,0 | ||||
| 4,0 | ||||
| 2 | 4,3 | 4,3 | ||
| 4,3 | ||||
| 4,2 | ||||
| 3 | 4,5 | 4,5 | ||
| 4,6 | ||||
| 4,4 | ||||
| 4 | 4,5 | 4,6 | ||
| 4,6 | ||||
| 4,6 | ||||
| 5 | 4,8 | 4,9 | ||
| 4,9 | ||||
| 4,9 |
Результаты испытаний на адгезию к каменным материалам, таким как гранит, базальт и щебень из гравия, составы №1 и №2 не выдержали к граниту, остальные все составы ко всем каменным материалам испытание выдержали.
По результатам, приведенным в таблице 2 можно сделать выводы, что составы №4 и №5 по своему содержанию однородны, резиновая крошка растворилась, что говорит о высоких физико-механических результатах испытаний, высокая температура размягчения, низкая температура хрупкости и достаточно хорошая растяжимость. Составы №4 и №5 выбраны в качестве вяжущего для асфальтобетона.
На втором этапе произведен замес асфальтобетона тип Б марка II на вяжущих №4 и №5, а так же один состав на битуме БНД 100/130 в качестве эталонного образца. Состав асфальтобетона: щебень из гравия фракции св.10 до 20 мм – 22%, щебень из гравия фракции от 5 до 10 мм – 21%, песок из отсевов дробления – 52%, минеральный порошок – 5%, вяжущее – 5,7%. Минеральные материалы изначально высушены до постоянной массы. После точного дозирования щебень из гравия и песок из отсевов дробления помещены в сушильный шкаф на 2 часа при температуре 165°С, вяжущее нагревалось отдельно 1,5 часа при температуре 140°С. Далее на горячую смесь щебня из гравия и песка из отсевов дробления, высыпали минеральный порошок и налили вяжущее. Затем смесь грелась в сушильном шкафу 1 час при температуре 150°С периодически через каждые 15 минут перемешиваясь. Далее из смеси формовали образцы диаметром 71,5 мм. Образцы перед испытаниями выдержали на воздухе при комнатной температуре 1 сутки. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12801-98. Результаты испытания асфальтобетона приведены в таблице 3. Состав №1 – на битуме БНД 100/130, состав №2 – на вяжущем №4, состав №3 – на вяжущем №5.
Таблица 3
Результаты физико-механических результатов испытаний асфальтобетона
| №п/п | Наименование показателя | Номер состава | Показатели | |
| Единичное значение | Среднее значение | |||
| 1 | Предел прочности при сжатии, Мпа при температуре: | |||
| 20°С | 1 | 2,58 | 2,59 | |
| 2,59 | ||||
| 2,59 | ||||
| 2 | 2,58 | 2,58 | ||
| 2,58 | ||||
| 2,59 | ||||
| 3 | 2,64 | 2,65 | ||
| 2,65 | ||||
| 2,65 | ||||
| 50°С | 1 | 1,27 | 1,28 | |
| 1,28 | ||||
| 1,28 | ||||
| 2 | 1,34 | 1,33 | ||
| 1,32 | ||||
| 1,33 | ||||
| 3 | 1,54 | 1,55 | ||
| 1,55 | ||||
| 1,55 | ||||
| 0°С | 1 | 8,01 | 8,00 | |
| 8,00 | ||||
| 8,00 | ||||
| 2 | 7,59 | 7,58 | ||
| 7,57 | ||||
| 7,58 | ||||
| 3 | 8,00 | 8,02 | ||
| 8,03 | ||||
| 8,02 | ||||
| 20в°С | 1 | 2,53 | 2,54 | |
| 2,55 | ||||
| 2,54 | ||||
| 2 | 2,59 | 2,60 | ||
| 2,60 | ||||
| 2,60 | ||||
| 3 | 2,83 | 2,83 | ||
| 2,82 | ||||
| 2,83 | ||||
| 20дл°С | 1 | 2,41 | 2,40 | |
| 2,40 | ||||
| 2,40 | ||||
| 2 | 2,47 | 2,48 | ||
| 2,47 | ||||
| 2,49 | ||||
| 3 | 2,59 | 2,60 | ||
| 2,60 | ||||
| 2,60 | ||||
| 2 | Средняя плотность, г/см3 | 1 | 2,36 | 2,36 |
| 2,36 | ||||
| 2,35 | ||||
| 2 | 2,37 | 2,37 | ||
| 2,37 | ||||
| 2,37 | ||||
| 3 | 2,38 | 2,38 | ||
| 2,37 | ||||
| 2,38 | ||||
| 3 | Водонасыщение, % по объему | 1 | 3,03 | 3,02 |
| 3,02 | ||||
| 3,00 | ||||
| 2 | 2,98 | 2,97 | ||
| 2,97 | ||||
| 2,95 | ||||
| 3 | 2,83 | 2,83 | ||
| 2,85 | ||||
| 2,82 | ||||
| 4 | Коэффициент водостойкости | 1 | 0,98 | 0,98 |
| 0,98 | ||||
| 0,98 | ||||
| 2 | 1,00 | 1,00 | ||
| 1,01 | ||||
| 1,00 | ||||
| 3 | 1,07 | 1,07 | ||
| 1,06 | ||||
| 1,07 | ||||
| 5 | Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении | 1 | 0,93 | 0,93 |
| 0,93 | ||||
| 0,93 | ||||
| 2 | 0,96 | 0,96 | ||
| 0,96 | ||||
| 0,96 | ||||
| 3 | 0,98 | 0,98 | ||
| 0,98 | ||||
| 0,98 |
Данные представленные в таблице 3 показывают положительное влияние модифицированного вяжущего на физико-механические свойства асфальтобетона. Состав с вяжущим №5, где наибольшее содержание резиновой крошки, показал более высокие показатели. Плотность выше, чем у состава на битуме БНД 100/130, показатели водостойкости, как при длительном, так и при простом водонасыщении так же выше. Водонасыщение меньше, что говорит о меньшем содержании пор и более плотном составе. Предел прочности на сжатие при температуре 50°С высокий, что говорит о теплостойкости асфальтобетона, предел прочности на сжатие при 0°С показывает высокую трещиностойкость в зимний период. Так же дополнительно смеси были исследованы на адгезию. Полученные результаты показали отличную адгезию по 5 шкале на 5 баллов состав №3 на вяжущем с максимальным содержанием резиновой крошки и состав №2, на 4 балла состав №1.
Проведенные в работе исследования показывают, что добавление резиновой крошки в битум, позволяет повысить его физико-механические свойства, такие как температура размягчения, температура хрупкости и растяжимость. Получается вяжущее, которое является практически аналогом полимебитумного вяжущего, только с использованием отходов резины. Установлено, что асфальтобетон на модифицированном вяжущем позволяет повысить физико-механические свойства, такие как водостойкость, плотность, предел прочности при сжатии при температурах 20°С, 0°С, 50°С, понизить водонасыщение. Изношенные шины это эластомерный материал с уникальными свойствами. Производство резиновых изделий, а именно автомобильных шин увеличивается с каждым годом, соответственно растут отходы, что неблагоприятно влияет на окружающую среду. Резиновая крошка, получаемая из отходов резины является уникальным модификатором вяжущего для асфальтобетона. Так как по сравнению с каучуками более устойчива к окислительному воздействию кислорода воздуха, обладает высокой устойчивостью к солевым растворам и воде. В своем составе резиновая крошка содержит полимеры, пластификаторы и антиоксиданты, благодаря им повышается устойчивость вяжущего в условиях эксплуатации.
1. Битумно-резиновое вяжущее, включающее в своем составе разогретый битум, резиновую крошку, отличающееся тем, что дополнительно содержит нефтяной пек, нефтяной мазут при соотношении компонентов, г:
| битум БНД 100/130 | 570,6 |
| нефтяной пек | 28,5 |
| нефтяной мазут | 12,1 |
| резиновая крошка | 5,7 |
2. Битумно-резиновое вяжущее, включающее в своем составе разогретый битум, резиновую крошку, отличающееся тем, что дополнительно содержит нефтяной пек и нефтяной мазут в соотношении компонентов, г:
| битум БНД 100/130 | 502,0 |
| нефтяного пека | 50,2 |
| нефтяного мазута | 16,9 |
| резиновой крошки | 10,0 |
3. Битумно-резиновое вяжущее, включающее в своем составе разогретый битум, резиновую крошку, отличающееся тем, что дополнительно содержит нефтяной пек и нефтяной мазут в соотношении компонентов, г:
| битум БНД 100/130 | 320,0 |
| нефтяной пек | 48,0 |
| нефтяной мазут | 15,1 |
| резиновая крошка | 9,6 |
4. Битумно-резиновое вяжущее, включающее в своем составе разогретый битум, резиновую крошку, отличающееся тем, что дополнительно содержит нефтяной пек и нефтяной мазут в соотношении компонентов, г:
| битум БНД 100/130 | 550,0 |
| нефтяной пек | 110,0 |
| нефтяной мазут | 34,1 |
| резиновая крошка | 22,0 |
5. Битумно-резиновое вяжущее, включающее в своем составе разогретый битум, резиновую крошку, отличающееся тем, что дополнительно содержит нефтяной пек и нефтяной мазут в соотношении компонентов, г:
| битум БНД 100/130 | 550,0 |
| нефтяной пек | 137,5 |
| нефтяной мазут | 42,9 |
| резиновая крошка | 27,5 |
6. Способ получения вяжущего по п.1, включающий нагрев битума, отличающийся тем, что нагрев битума осуществляют с применением СВЧ при перемешивании смеси в течение 1 ч 15 минут до температуры 200,0°С.
7. Способ получения вяжущего по п.2, включающий нагрев битума, отличающийся тем, что нагрев битума осуществляют с применением СВЧ при перемешивании смеси в течение 40 минут до температуры 200,0°С.
8. Способ получения вяжущего по п.3, включающий нагрев битума, отличающийся тем, что нагрев битума осуществляют с применением СВЧ при перемешивании смеси в течение 1 часа 10 минут до температуры 156,0°С.
9. Способ получения вяжущего по п.4, включающий нагрев битума, отличающийся тем, что нагрев битума осуществляют с применением СВЧ при перемешивании смеси в течение 30 минут до температуры 176,0°С.
10. Способ получения вяжущего по п.5, включающий нагрев битума, отличающийся тем, что нагрев битума осуществляют с применением СВЧ при перемешивании смеси в течение 40 минут до температуры 180,0°С.
