Применение кокса в качестве модификатора битума

Изобретение относится к области строительства, в частности к способу изготовления модифицированного битумного вяжущего, композиции битумного вяжущего и применению прокаленного мелкодисперсного кокса при изготовлении асфальтобетонных смесей, применяемых для дорожных покрытий, рулонных кровельных и мембранных технологий для защиты зданий и мостов. Способ осуществляют путем введения в битум модификатора, в качестве которого используют прокаленный мелкодисперсный кокс с содержанием влаги не более 1 мас.%. Причем количество мелкодисперсного кокса в композиции составляет 7-14 мас.% от массы битума. Техническим результатом заявленного изобретения является создание модифицированного вяжущего на основе битума с улучшенными свойствами путем введения кокса в битум, что обеспечивает стабильность поверхностного слоя на укладываемом дорожном покрытии, замедление процессов старения, повышает вязкость, прочность и эксплуатационные характеристики дорожного полотна, а также позволяет достигнуть сдвигоустойчивости при оптимальном содержании щебня и модифицирующей добавки, пластической текучести при низких температурах, обладает большей сопротивляемостью разрушающей нагрузке и позволяет не использовать минеральный порошок без ухудшения свойств получаемого асфальтобетонного покрытия. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к области строительства, в частности дорожного строительства, и используется для создания новых модифицированных вяжущих на основе битума с улучшенными свойствами для изготовления асфальтобетонных и других смесей вяжущего и заполнителей, применяемых для дорожных покрытий, рулонных кровельных и мембранных технологий для защиты зданий и мостов. Также изобретение может быть использовано в любой отрасли промышленности, где требуется использование битумных вяжущих средств.

Предшествующий уровень техники

В состав смеси, предназначенной для покрытия дорог, помимо битума, могут входить такие компоненты, как песок и щебень. С использованием первого изготавливают песчаный асфальт. Иногда в смесь добавляют также минеральный порошок и щебень. Эта очень распространенный вид покрытия. Называется такой асфальтобетон щебневым. Также этот дорожный материал иногда делают с использованием гравия. В смесь в этом случае добавляют щебень и минеральный порошок. Асфальт этой разновидности называется гравийным.

В зависимости от назначения смеси соотношение всех этих компонентов может меняться. Так, для пешеходных дорожек применяется асфальт, изготовленный с использованием мелких песка и щебня. Нижний слой проезжей части обычно делают из смеси немного другого состава. В этом случае асфальт делают с применением только очень крупного щебня. Верхний слой дорог заливают более гладким асфальтом. В его состав входит щебень мелких фракций.

Таким образом, использованный вид наполнителя влияет на прочность материала этого типа, а следовательно, и область его применения. Однако состав асфальта и его качества в не меньшей степени зависят от марки подмешенного в него битума. Для производства смесей этого типа обычно используется особый материал этого вида. Называется он дорожным битумом и маркируется буквами БНД. Основным параметром, по которому классифицируется этот материал, является температурный режим.

Также распространенным методом улучшения свойств асфальтобетонной смеси является добавление различного вида добавок.

К добавкам, конечной функцией которых является улучшение качества дорожного полотна, относятся следующие типы материалов:

1. модификаторы битума;

2. адгезионные присадки к битуму;

3. стабилизаторы ЩМАС (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси);

4. модификаторы асфальтобетонной смеси;

5. структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь.

При низких температурах битум становится твердым и хрупким, при высоких – мягким и текучим. Битум модифицируют различными эластомерами, применение которых имеет цель улучшить эксплуатационные характеристики битума при экстремальных температурах. При модификации битума стирол бутадиен стиролом полимербитумная смесь становится мягкой и более гибкой при низкой температуре, и более вязкой при высокой температуре.

Применение различных присадок к битуму направлено на улучшение отдельно взятого свойства битума: адгезии с минеральной составляющей асфальтобетонной смеси или пластической текучести при низких температурах. Существует присадка, предотвращающая окисление битума и, как следствие, образование микротрещин на поверхности.

Добавки, улучшающие прилипание (адгезию) битума, вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь. При измельчении на их поверхности образуется сложное электрическое поле, знак и величина потенциала которого определяются свойствами ионов и характером их расположения на поверхности. Большинство основных карбонатных пород (известняки, доломиты) имеют положительный заряд, кислые (гранит, кварц) – отрицательный. В сложном составе битума преобладают анионактивные вещества. С точки зрения электростатической теории адгезии, нам необходимо провести исследования сцепление битума с размолотым порошком из кокса, что объясняется разноименными зарядами поверхности материала и компонентов битума.

Таким образом введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, будет способствовать повышению его адгезии к коксу.

Поверхностно-активные вещества предназначены для улучшения адгезии битума с минеральной частью асфальтобетонной смеси. Существует два типа ПАВ – анионные и катионные.

В связи с недостаточным качеством нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, а также для улучшения их свойств, в последнее время предложены различные добавки. Добавки, вводимые в относительно большом количестве, существенно влияющие на структуру и свойства получаемых вяжущих, называют композиционными, или комплексными. Наиболее распространенными комплексными вяжущими являются битумо-дегтевые, битумо-полимерные, дегте-битумо-полимерные.

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов и цепей), повышения их прилипания к материалам (адгезии), пластичности при низких температурах, тепло и погодоустойчивости, снижения вязкости в их состав вводят соответствующие добавки в количестве до 20%.

Добавки могут классифицироваться по признакам (растворимости, способу введения и т. д.).

Поверхностно-активные добавки по физико-химическому взаимодействию разделяются на ионогенные и неионогенные. К анионактивным добавкам относятся высокомолекулярные органические кислоты, мылонафт (соли нафтеновых кислот), производные карбоновых кислот (мыла, фенолы и др.). К катионактивным веществам относятся амины, соли аминов и четырехзамещенные аммониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3-10% и катионактивных – 0,5-3% массы вяжущего. Применение ПАВ облегчает и ускоряет обволакивание и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами. Эффективность действия ПАВ зависит от вида каменного материала (подложки). Катионактивные ПАВ обеспечивают повышение сцепления со всеми горными породами, но особенно эффективно с кислыми. Анионактивные ПАВ повышают сцепление с карбонатными (основными) и почти не влияют на сцепление с кислыми породами. Активация битума выполняется для повышения адгезии битума к поверхности каменных материалов. Применяется также активация поверхности каменных материалов и активация битума в момент смешения его с минеральными материалами.

Как известно, наиболее интенсивное старение битума происходит в процессе приготовления а/б смеси. При этом тонкая плёнка битума подвергается одновременному воздействию высоких температур и кислорода. В результате окисления битум быстро теряет свою пластичность. Далее, с течением времени, пластичность битума продолжает снижаться, но этот процесс идет значительно медленнее, т.к. он происходит при температурах окружающей среды. Уменьшение степени окисления битума для российских условий особенно важно, т.к. качество исходных битумов в России неудовлетворительно, и нет никаких надежд на его улучшения в будущем.

Ввод нового стандарта качества дорожных битумов по ГОСТ 33133-2014 с сентября 2016 года требует от производителей битумной продукции немалых усилий: модернизации битумных производств, обоснования экономической целесообразности введения новых требований, разработки новых технологических решений по производству качественных битумов. Кроме того, необходим переходный период, в течение которого было бы возможно адаптировать битумные производства под новые стандарты. Однако вопрос о комплексном подходе к эффективному использованию модифицирующих добавок в битумном производстве пока остается открытым. По основным классификационным признакам выделяются три группы модифицирующих добавок (по вещественному составу, функциональному назначению, по наименованию основных составляющих веществ, химических соединений и активных компонентов).

В качестве модификаторов были использованы следующие добавки:

- поверхностно-активные соединения, которые увеличивают полярность асфальтенов, дают вклад во внутримолекулярные водородные связи, чем стабилизируют гетерогенную структуру вяжущего, а также резко повышают плотность межмолекулярных водородных (ассоциативных) связей, которые в данном случае отвечают за адгезию к минеральному материалу;

- полимерные соединения для создания полимерно-модифицированных битумных материалов, при определенных концентрациях они, распределяясь в НДС, образуют самостоятельную дисперсную фазу или связывают дисперсионную среду полимерным каркасом, тем самым пластифицируют или структурируют битумы, способны осуществлять перевод битумов из класса термопластов в эластомеры, т.е. в полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), в котором эластичная структурная сетка полимера, кроме высокой эластичности, придает способность к ориентации при отрицательных температурах.

В настоящее время существует множество разработок в области создания эффективных модификаторов битума, в том числе и защищенных патентами Российской Федерации.

Из патента RU 2355655 с датой публикации 20.05.2009 известно вяжущее для приготовления горячих и холодных асфальтобетонных смесей включает нефтяной битум и разжижитель. В качестве разжижителя используют нефтесодержащие флюиды – естественные поверхностные нефтепроявления, являющиеся отходом производства подземных рудников при добыче алмазов, включающие 10-12 мас.% минерализованной воды, содержащей 39,4 г/л минеральных солей, преимущественно хлоридов калия и кальция, при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%: нефтяной битум 50-95, указанные нефтесодержащие флюиды 5-50. Вяжущее готовят обычным перемешиванием в лопастном смесителе битума с t=90-100°C с нефтесодержащими флюидами с t=20°C в течение 3 минут. Технический результат: на предлагаемом вяжущем возможно получение асфальтобетона для автомобильных дорог I и II категории, а использование нефтесодержащих флюидов позволит решить проблему экологической безопасности региона.

Из патента RU 2484109 с датой публикации 10.06.2013 известно изобретение, которое относится к способам получения органического связующего материала, используемого в брикетном производстве, строительстве, в частности при строительстве дорог, при возведении зданий и сооружений. Способ получения вяжущего материала включает перемешивание тяжелых остатков переработки нефти и каменноугольной смолы высокотемпературного коксования в присутствии кислорода, при этом перед перемешиванием в смолу добавляют поверхностно-активное вещество, содержащее карбоксильную группу. Технический результат – расширение сырьевой базы для получения связующего материала, утилизация отходов коксохимических производств, в частности каменноугольной смолы.

Также известна асфальтобетонная смесь по ГОСТ 9128-84, приготовляемая смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня, природного дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиями указанного стандарта (см. пункт 3 стандарта). Также стандартом допускается использование адгезионной добавки для улучшения сцепления битума с каменным материалом.

Известна также наномодифицированная асфальтобетонная смесь (патент RU 2466161, опубл. 10.11.2012 г.), которая может быть принята в качестве ближайшего аналога, содержащая щебень, отсев щебня, нефтяной битум, в которой модификатором служит резиновая крошка размером 0,75 мм, механоактивированная совместно с наношпинелью магния. Эта добавка добавляется при изготовлении горячего асфальтобетона в соотношении по процентному составу: битум марки БНД 90/130 в количестве 100%, резиновая крошка в количестве 7% от массы битума, наношпинель магния в количестве 0,5% от массы битума. В данной смеси в качестве добавки, улучшающей взаимодействие на границе раздела фаз «битум – резиновая крошка», применялась нанодисперсная шпинель магния. Полученный асфальтобетон обладает улучшенным комплексом прочностных свойств. Повышенные прочностные свойства полученного модифицированного асфальтобетона в широком интервале температур могут предотвратить трещинообразование и повысить долговечность дорожного покрытия, что может компенсировать затраты на дополнительные технологические операции (механоактивация и добавление резиновой крошки в асфальтобетон). Основные недостатки известного решения – значительные затраты на диспергирование резиновых отходов, сложность замешивания и равномерного распределения по объему полимерного компонента в битумном вяжущем и по объему асфальтобетонной смеси, что приводит к снижению качественных показателей вяжущего и получаемого асфальтобетона. Также в источнике не исследованы другие немаловажные свойства битумного вяжущего.

Таким образом, задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является создание альтернативного модифицированного вяжущего на основе битума с улучшенными свойствами, недорогого и эффективного для использования.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи предложена новая альтернативная модифицированная композиция битумного вяжущего с улучшенными свойствами.

С позиции закона сродства структур материалов модификатор по своему химическому составу должен быть близок к химическому составу битума. С позиции улучшения свойств модификатор должен обладать сходными размерами с теми компонентами битума, которые в наибольшей степени определяют его свойства. Нами было обнаружено, что материалом, удовлетворяющим этим требованиям, является кокс.

Таким образом, предложен способ модифицирования битума модификатором, в качестве которого служит прокаленный мелкодисперсный кокс с влажностью не более 1 мас.%, путем добавления 7-14 мас.% мелкодисперсного кокса к битуму.

Также предложено применение прокаленного мелкодисперсного кокса с влажностью не более 1 мас.% – модификатора битума в количестве 7-14 мас.% в качестве заменителя минерального порошка при изготовлении асфальтобетонных смесей.

Технический результат заключается в следующем: введение кокса в битум даёт стабильность поверхностного слоя на укладываемом дорожном покрытии, повышает вязкость, прочность, замедление процессов старения, на его поверхности формируется слой, образованный из масел и смол, а также заполняются пустоты и в целом повышаются эксплуатационные характеристики дорожного полотна. Позволяет достигнуть максимальной сдвигоустойчивости при оптимальном содержании щебня и модифицирующей добавки, пластической текучести при низких температурах, обладает большей сопротивляемостью разрушающей нагрузке. Также использование мелкодисперсного кокса в качестве модификатора битума позволяет не использовать минеральный порошок без ухудшения свойств получаемого асфальтобетонного покрытия.

Влияние кокса на модифицируемую среду зависит от размера, формы, свойств поверхности и наличия на ней функциональных групп. Из научных трудов, подтверждено: «методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что структурными элементами частиц углерода в коксе, являются плоские кристаллические решетки. Они состоят из шестичленных углеродных циклов (аналогичных бензольным по расположению углеродных атомов). Атомы углерода образуют слои сконденсированных кольцеобразных систем с межатомным расстоянием 0,142 нм. Эти слои (решётки) располагаются параллельно на строго определённом расстоянии, равном 0,365 нм. Частицы углерода, преобладающие в коксе, состоят из отдельных первичных образований – кристаллитов».

Таким образом, частицы углерода в коксе обладают размерностью, относительно близкой к размерам асфальтенов. Частицы углерода представляют собой сферические глобулы и обладают большой удельной поверхностью.

Между асфальтенами и углеродом в коксе существует генетическая связь. При переходе от масел к смолам и асфальтенам увеличивается количество конденсированных циклов, гетероатомов. Поэтому при смешивании частиц углерода, находящегося в коксе с битумом, на его поверхности формируется слой, образованный из масел и смол, образуя структуру в виде «ежа», а также заполняются пустоты. Результатом является перераспределение компонентов битума между молекулярными структурами и образование новых ассоциатов. Образование дополнительных дисперсных частиц усиливает матрицу материала, повышаются вязкость и прочность. Кроме того, связывая лёгкие компоненты битума, кокс замедляет процессы старения.

Элементный состав сырого, или не прокаленного нефтяного кокса (в %):

С = 91-99,5, Н = 0,035-4, S = 0,5-8, (N + О) = 1,3-3,8, остальное – металлы.

Основные показатели качества – содержание S, золы, влаги (обычно не более 3% по массе), выход летучих веществ, гранулометрический состав, механическая прочность.

Нефтяной кокс подразделяют:

• по содержанию S на малосернистые (до 1%), сернистые (до 2%), высокосернистые (более 2%);

• по содержанию золы на малозольные (до 0,5%), среднезольные (0,5-0,8%), высокозольные (более 0,8%);

• по гранулометрическому составу на кусковой (фракция с размером частиц более 25 мм), "орешек" (6,25 мм), мелочь (менее 6 мм).

Другие показатели:

• пористость 16-56%;

• плотность при 20°С – истинная 2,04 2,13 г/см³, кажущаяся 0,8-1,4 г/см;

• насыпная масса 400-500 кг/м³.

Нефтяные коксы относятся к углеродистым материалам – содержание углерода в них в среднем составляет 92-95% (мас.). В зависимости от качества сырья они могут содержать 2-7% водорода, 1-7% (мас.) серы, азота и кислорода. В коксе также имеются и другие элементы – металлы и неметаллы, такие, как ванадий, железо, никель, натрий и другие, составляющие его неорганическую часть. Кокс является прекрасным наполнителем асфальтобетонной смеси в виду его низкой плотности. Он состоит из карбоидов, не растворяется в вяжущем и не подвергается плавлению. Частицы кокса обладают размерностью, относительно близкой к размерам асфальтенов. Они представляют собой сферические глобулы и обладают большой удельной поверхностью.

Для получения оптимальных показателей от введения кокса и ввиду разнородности исходного используемого, например, повышенной влажности или несоответствия мелкодисперсному состоянию, кокс может быть активирован, т.е. прокален и доведен до нормативного показателя влажности (например, до 1%), после чего может быть осуществлен его помол. При этом помол может быть осуществлен после прокалки кокса и доведения показателя до нормативного.

Кокс (сырец) прокаливают в трубчатых вращающихся печах при температуре 1500-1550°С без доступа воздуха с целью уменьшения содержания влаги и летучих веществ. Такая термическая обработка материалов способствует обеспечению высокой механической прочности, плотности, термостойкости, влагоустойчивости и экологической чистоты (как карандашный графит), что, в свою очередь, положительным образом сказывается также и на свойствах асфальтобетона и дорожного покрытия.

Одним из самых главных моментов в предложенной разработке является возможность не использовать минеральный порошок при изготовлении вяжущего без ухудшения его эксплуатационных свойств.

Минеральный порошок в зависимости от показателей свойств, а также применяемых исходных материалов подразделяют на следующие марки:

- МП-1 – минеральный порошок активированный из карбонатных горных пород;

- МП-2 – минеральный порошок неактивированный из карбонатных горных пород;

- МП-3 – минеральный порошок неактивированный из некарбонатных горных пород, твердых и порошковых отходов промышленного производства.

В твердых промышленных отходах производства, используемых для приготовления минерального порошка, и в порошковых промышленных отходах производства, используемых в качестве минерального порошка, допускается содержание активных соединений (СаО + MgO) не более 3% по массе.

В структуре асфальтобетона проф. П.В. Сахаров предложил выделять асфальтовое вяжущее вещество (АВВ). По его мнению, вяжущим в асфальтобетоне необходимо считать не битум, как считалось прежде, а асфальтовяжущее вещество – смесь битума с минеральным порошком. Минеральный порошок является основным структурообразующим компонентом в асфальтобетоне, его содержание в асфальтобетоне составляет 6-8% от массы всей минеральной части, однако именно на его долю приходится большая часть контактной поверхности – до 90%. Его основная задача – перевести максимальное количество объемного битума в состояние «тонких пленок», в этом состоянии битум характеризуется повышенной вязкостью и прочностью. Для того, чтобы определить структурирующую способность минеральных порошков из минерального сырья, требуется детальный анализ характера дисперсности, формы частиц, текстурных характеристик, адсорбционной активности и т.д.

Экспериментально было установлено, что введение в битум определенного количества мелкодисперсного кокса улучшает качественные показатели получаемого битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси даже в отсутствие минерального порошка из горных пород.

Оптимальное установленное процентное соотношение мелкодисперсного кокса к битуму составляет 7-14 мас.%. Данный интервал включает также все промежуточные значения, а именно, 8, 9, 10, 11, 12, 13 мас.%, а также промежуточные значения, такие как 8,5, 10,5 и т.п.

Его основная задача – перевести максимальное количество объемного битума в состояние «тонких пленок», в этом состоянии битум характеризуется повышенной вязкостью и прочностью.

В процессе подбора, разработки и испытании асфальтовяжущих компонентов с минеральным порошком из мелкодисперсного кокса в разных соотношениях, могут быть введены добавки для придания или улучшения каких-либо свойства асфальтобетона. К добавкам, конечной функцией которых является улучшение качества дорожного полотна, относятся следующие типы материалов:

• модификаторы битума (например, полимерные, такие как резиновая крошка, СБС-полимеры и т.п.);

• адгезионные присадки к битуму;

• стабилизаторы ЩМАС (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси);

• модификаторы асфальтобетонной смеси;

• структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь.

Изобретение используется для создания новых модифицированных вяжущих на основе битума с улучшенными свойствами для изготовления асфальтобетонных и других смесей вяжущего и заполнителей, применяемых для дорожных покрытий, рулонных кровельных и мембранных технологий для защиты зданий и мостов. Битумные композиции согласно предложенному изобретению могут быть добавлены в стандартные асфальтобетонные смеси, такие, как описаны в ГОСТ 9128-84, однако при этом могут не использоваться минеральные порошки.

Для приготовления вяжущих могут применяться вязкие нефтяные дорожные битумы, например, марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 70/100, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130, жидкие битумы, кровельных марок и т.п., однако данный список не является исчерпывающим.

Осуществление изобретения

Ниже приводятся примеры осуществления изобретения и показаны улучшения, достигаемые при этом.

Для анализа свойств модифицированного битума для исследований был взят кокс электродный суммарный марки А.

Данные по характеристикам кокса представлены в Таблице 1.

Таблица 1 Паспорт качества на кокс электродный суммарный, марка А
Наименование показателя	Метод испытания	Значение
Массовая доля общей влаги, %, не более	ГОСТ 27588	12,3
Массовая доля летучих веществ, %, не более	ГОСТ 22898 п. 4.9	7,8
Зольность, %, не более	ГОСТ 22692	0,15
Массовая доля серы, %, не более	ГОСТ 1437	1,40
Массовая доля мелочи с размером кусков менее *мм, % не более	ГОСТ 22898 п. 4.3	51,4
Массовая доля, % не более: кремния; железа; ванадия	ГОСТ 22898 п. 4.6	0,005 0,007 0,0214

Влажность кокса прокалкой при температуре 1530°С была доведена до значения не более 1%, а затем кокс был измельчен до мелкодисперсного состояния.

Было исследовано влияние добавки прокаленного мелкодисперсного кокса на свойства битумного вяжущего. Анализируемое процентное соотношение кокса к битуму составляет 7-14 мас.% по отношению к массе битума. В качестве битума использовался битум БНД 70/100.

Данные исследований приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Свойства битумного вяжущего, полученного на основе битума БНД 70/100 с добавкой кокса
Кол-во вводимой добавки	Свойства модифицированного битума
T° разм, °С по КиШ	Пенетрация при 25 °С, ед.	Дуктильность, см	Адгезия, в баллах*
БНД 70/100	46	86	78	2
+7	48,6	79	75	4
+10	50,15	76	62	5
+14	63,4	57	60	4

* Расшифровка баллов при сцеплении вяжущего с поверхностью минерального материала для оценки адгезии:

2 – «неудовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто менее 75% поверхности частиц гравия;

3 – «удовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто 75% поверхности частиц гравия;

4 – «хорошо», пленкой вяжущего покрыто 90% поверхности частиц гравия;

5 – пленкой вяжущего покрыто 95% поверхности частиц гравия.

Согласно данным таблицы с увеличением количества добавки, происходит увеличение температуры размягчения по КиШ, которая характеризует переход битума из упругопластичного состояния в вязкое.

Это связано с тем, что при введении добавки в битум смолы адсорбируются на поверхности частиц твердой добавки, в результате чего объем дисперсной фазы увеличивается и происходит загущение системы. Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, то есть текучести битумов, принимается условный показатель – глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.

В нашем случае среда битумного вяжущего обедняется маслами, израсходованными на дополнительные сольватационные связи с введенными твердыми добавками, поэтому пенетрация, будучи параметром вязкости, начинает снижаться вследствие повышения вязкости всей системы. Дуктильность при 25°С характеризует степень структурированности вяжущего.

Важным эксплуатационным свойством битумных вяжущих является адгезия к минеральным материалам. Адгезия – это межфазное взаимодействие, результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Результаты определения адгезии битумного вяжущего к минеральному материалу, свидетельствует о том, что при добавлении в битумное вяжущее кокса до 14 мас.% увеличивается его адгезия к минеральной части асфальтобетона.

Это может быть объяснено тем, что на поверхности частиц кокса имеются различные функциональные группы, такие как гидроксильные, карбонильные, хиноидные, способные улучшать адгезионные свойства материала.

Использование мелкодисперсного кокса в количестве до 7 мас.% не дает видимого эффекта, хотя допускается использование его в количестве от 5 мас.%. Количество кокса более 14 мас.% не является рентабельным с экономической точки зрения, а также может привести к ухудшению некоторых показателей вяжущего.

Научная новизна работы

• Впервые обосновано применение минерального порошка из кокса, являющегося основным структурообразующим компонентом вяжущего при производстве асфальтобетонов и прокладки автомобильных дорог в суровых климатический условиях.

• Показано, что минеральные порошки из кокса, обладают высоким структурирующим воздействием на битум. Научно доказано, что после взаимодействия с минеральными порошками в битуме снижается количество масел, повышается количество асфальтенов, т.е. битум переходит в состояние тонких пленок, характеризуемое повышенной вязкостью и прочностью вяжущего. В процессе данного взаимодействия происходит образование хемосорбционных соединений, которые положительно влияют на прочностные характеристики асфальтовых вяжущих веществ.

• Установлено, что асфальтовяжущие вещества, полученные с применением минеральных порошков из кокса, обладают развитым рельефом поверхности с высокой микрошероховатостью. Благодаря этому происходит увеличение не только прочностных характеристик асфальтобетонных образцов, но и повышение показателей коррозионной устойчивости – водостойкости при длительном водонасыщении и морозостойкости асфальтобетонов, что положительно скажется на долговечности асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации.

• Выявлено, что в результате процессов адсорбции низкомолекулярной части битума зернами минеральных порошков, углерода кокса и последующим её «выпотеванием» на поверхность зерен, наблюдается замедление процессов старения вяжущего в асфальтобетоне, благодаря чему ожидается продление срока эксплуатации покрытий автомобильных дорог без необходимости проведения ремонта.

Теоретическая и практическая значимость разработки

• Обосновать возможность замены традиционно применяемых в асфальтобетонах минеральных порошков на порошок из кокса.

• Разработать составы асфальтовых вяжущих веществ, с применением минерального порошка из кокса, определить их физико-механические характеристики. Установлено, что асфальтовяжущие с применением предлагаемых минеральных порошков в активированном состоянии обладают повышенными значениями водостойкости, что положительно сказывается на водостойкости асфальтобетонов и улучшает показатели долговечности асфальтобетонных покрытий.

• Разработать рецептурные составы асфальтобетонов с применением минерального порошка из кокса. Установлено, что использование в составе асфальтобетона минерального порошка из кокса позволяет повысить показатели прочности при сжатии, температурной чувствительности, термостабильности и теплостойкости по сравнению с асфальтобетонами на традиционном известняковом минеральном порошке. Рецептуры асфальтобетонов с применением минерального порошка из кокса разрабатываются.

• Выполнить оценку экономической эффективности при использовании минерального порошка из кокса. Показано, что за счет улучшения физико-механических характеристик и повышения коррозионной стойкости асфальтобетонов возможно увеличение их долговечности, что приведет к существенной экономии денежных средств, в процессе эксплуатации автомобильной дороги без необходимости проведения ремонтов покрытия.

1. Способ изготовления модифицированного битумного вяжущего для асфальтобетонных смесей, включающий введение в битум модификатора, в качестве которого используют прокаленный мелкодисперсный кокс с содержанием влаги не более 1 мас.%, а количество мелкодисперсного кокса в композиции составляет 7-14 мас.% от массы битума.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсный кокс используют в качестве единственного модификатора битума.

3. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что температура прокалки составляет 1500-1550°С.

4. Композиция битумного вяжущего, полученная способом по одному из пп.1-3.

5. Применение прокаленного мелкодисперсного кокса с влажностью не более 1 мас.% - модификатора битума в количестве 7-14 мас.% от массы битума при изготовлении асфальтобетонных смесей.

6. Применение по п.5, отличающееся тем, что мелкодисперсный кокс используют в качестве единственного модификатора.

7. Применение по п.5, отличающееся тем, что в качестве дополнительного модификатора битума используют полимерные модификаторы, такие как резиновая крошка, СБС-полимеры, адгезионные присадки, стабилизаторы ЩМАС и/или структурирующие добавки.