СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ АСФАЛЬТОВОГО ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ УГЛЕРОДНЫМ НАНОМАТЕРИАЛОМ

Настоящее изобретение относится к области строительного производства в автодорожной отрасли, в частности получению материала для дорожного полотна с использованием вяжущего на основе битума с применением углеродного наноматериала (углеродных нанотрубок) в качестве модификатора, и может быть применено при изготовлении дорожных покрытий при использовании щебеночно-кварцевых асфальтобетонов.

Известен способ и установка изготовления наполнителя для асфальтобетона [1], в котором дробят куски старого асфальтобетона в молотковой дробилке до размера частиц не выше 20 мм. Далее дробленый асфальтобетон разделяют на фракции 5-20 мм и 0-5 мм с последующим измельчением в электромагнитном измельчителе фракций 0-5 мм до материала фракций 0-1,2 мм и 1,2-5 мм. Установка после молотковой дробилки содержит конвейер, грохот, два выносных транспортера. Данный способ для изготовления имеет существенные недостатки: требует больших затрат энергии при получении мелких фракций частиц в электромагнитной установке, имеет низкую производительность, недостаточную для производства больших объемов асфальтобетона, имеет сложное конструктивное и технологическое исполнение.

Известен способ получения асфальтобетонной смеси [2], по которому предварительно разогретый до температуры 140-180°С битум распыляют до размера частиц 60-100 мкм, далее частицы битума охлаждают и смешивают с инертным наполнителем с последующим уплотнением в перфорированных ячеечных устройствах в слое минерального порошка. Затем гранулированное асфальтовяжущее вводят в крупнодисперсную минеральную часть смеси. Данный способ является, во-первых, достаточно энергоемким, и, во-вторых, уплотнение в ячеечных устройствах при гранулировании не позволяет обеспечить получение больших объемов асфальтобетона. Трудноосуществим и процесс смешения частиц битума с наполнителем.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемого изобретения является наномодифицированная асфальтобетонная смесь [3], содержащая щебень, отсев щебня, песок, нефтяной битум, который модифицирован резиновой крошкой размером 0,75 мм, механоактивированной совместно с наношпинелью магния. Способ позволяет повысить улучшение эксплуатационных характеристик материала для автомобильных дорог, но предполагает использование материала (наношпинели магния), который не производится массовым тиражом (является проектной разработкой Института твердого тела и механохимии, г.Новосибирск), что не исключает сложности воспроизведения технологии в промышленном масштабе, а это, в свою очередь, может усложнить широкое применение предлагаемого способа модифицирования материала для автомобильных дорог и, в конечном итоге, приведет к ухудшению качества изделий.

Целью предлагаемого изобретения является разработка наиболее экономичного, эффективного, особо прочного материала с лучшими физико-механическими свойствами.

Задачей предлагаемого изобретения является получение вяжущего материала, техническим результатом использования которого является улучшение эксплуатационных характеристик материала для автомобильных дорог и экономическая выгода от многократного увеличения срока службы нового упрочненного дорожного покрытия без его ремонта и замены.

Поставленная задача достигается тем, что способ упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом включает использование асфальтобетонной смеси, содержащей щебень, отсев щебня, песок и нефтяной битум марки БНД 90/130. Причем нефтяной битум модифицирован углеродными нанотрубками в количестве 0,005% от массы битума, причем модифицирование нефтяного битума углеродными нанотрубками осуществляют при ультразвуковом воздействии.

Способ упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом осуществляется следующим образом.

За основу берут известный способ приготовления асфальтобетонной смеси по ГОСТ 9128 3/4 84, приготовляют смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня, природного дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиями указанного стандарта. При этом основным компонентом смеси является битум. Битумные вяжущие материалы, как правило, являются практически отходами процесса нефтепереработки. Поэтому важнейшей задачей модификации таких битумов становится улучшение (исправление) их физико-механических и химических свойств. Для повышения долговечности и качества таких материалов используют введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом для практики направлении.

В предлагаемом способе это достигается добавлением в нефтяной битум углеродного наноматериала (однослойных и многослойных углеродных нанотрубок) и их совместном структурировании. Уникальные углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из одного или нескольких слоев, выполненных из атомов углерода, с диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Таким образом, они, по сути, являются полыми волокнами, имеющими высочайшую прочность и абсолютную инертность по отношению к любым кислотам и щелочам. Углеродные нанотрубки имеют высокие модуль линейной упругости, прочность на разрыв, коэффициент теплопроводности (удельная прочность на растяжение - более 24·10⁴ мПа). Использование углеродных нанотрубок в качестве допирующего (армирующего) элемента позволяет создать новый композитный материал, обладающий уникальными свойствами и характеристиками, которые обеспечат его использование при производстве высококачественных и надежных в эксплуатации систем и материалов.

Углеродные нанотрубки, обладающие рекордными механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения прочностных свойств композитных полимерных материалов. Введенные в асфальтобетонную смесь нанотрубки ее армируют, превращая в композиционный материал. Нанотрубки ведут себя как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое всю асфальтобетонную смесь.

Углеродные нанотрубки имеют чрезвычайно развитую поверхность: удельная поверхность материала нанотрубок достигает значений около 600 м²/г. Столь высокая удельная поверхность, в несколько раз превышающая удельную поверхность лучших современных сорбентов, обеспечивает исключительно высокие адгезионные свойства углеродных нанотрубок, что также привлекательно при создании новых асфальтобетонных материалов, обладающих высоким сродством к компонентам смеси.

Проанализировав сведения об асфальтобетонах и знания об упрочняющих характеристиках углеродных нанотрубок, авторы данного изобретения считают, что углеродные наноматериалы могут быть использованы для улучшения эксплуатационных характеристик асфальтобетонных смесей.

Авторами были проведены исследования по модифицированию нефтяного битума.

Введение нанотубулярного материала в жидкий битум существенно повышает прочность и упругость получаемого асфальтового покрытия. Установлено, что даже незначительные (до 0,005% по массе) добавки углеродных нанотрубок увеличивают прочность битума при сжатии, что определяется по глубине вдавливания штампа в образцы. Важнейшим условием прочности и долговечности асфальтобетона является сцепление битума с поверхностью песка. Поскольку пески преимущественно кварцевые, а адгезия битума к поверхности кварцевых зерен недостаточна, то нанотрубки, обладающие исключительно высокими адгезионными свойствами, обеспечивают прочное сцепление битума с песком.

Для приготовления асфальтобетона используют битум марки БНД 90/130. В качестве модификатора битума применяют углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» производства ООО «Нано Тех Центр» (г.Тамбов). Он представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита в виде сыпучего порошка черного цвета. Гранулы УНМ микрометрических размеров имеют структуру спутанных пучков многостенных углеродных нанотрубок. Количество вводимого углеродного наноматериала составляет 0,01-0,005% от массы битума. Исследовалось поведение механических характеристик образца.

Получение модифицированного битума осуществлялось следующим образом.

Битум нагревают до температуры 100°С, добавляют необходимое количество УНМ и перемешивают в ультразвуковой мешалке в течение 6 часов для получения механически однородной смеси с равномерным распределением наноматериала. После этого битум в течение 10 часов охлаждают до окончания кристаллизации. Затем проводят испытания на механическую прочность на сжатие и изгиб. Проведенные исследования показали, что применение углеродного наноматериала приводит к повышению предела прочности при сжатии в 1,5-2 раза по сравнению с немодифицированным битумом. Предлагается использование полученного модифицированного углеродными нанотрубками битума для дальнейшего смешения с остальными компонентами асфальтобетонной смеси (щебень, песок) в миксере без изменения технологического процесса производства.

Возможно введение углеродного наноматериала в процесс производства асфальтобетонных смесей на этапе механического перемешивания в миксере одновременным внесением с жидким битумом в механический барабан, содержащий смесь песка и щебня. 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 (добавление углеродного наноматериала в асфальтобетонную смесь). Полученный конечный материал - модифицированный асфальтобетон - обладает улучшенным комплексом прочностных свойств.

Таким образом, полученные составы связующих на основе битумов, модифицированных углеродным наноматериалом (углеродными нанотрубками), могут быть использованы при устройстве покрытий и оснований на автомобильных дорогах всех категорий во всех дорожно-климатических зонах России.

Технический результат: повышение прочности и упругости получаемого асфальтового покрытия, а также повышение водостойкости, теплостойкости и морозостойкости и расширение температурного диапазона его укладки в области отрицательных температур. Этот способ экономичен, эффективен и направлен на получение особо прочного материала, обладающего улучшенными физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками. Его применение для автомобильных дорог дает экономическую выгоду в результате многократного увеличения срока службы дорожного покрытия без его ремонта и замены.

Источники информации

1. Патент RU №2346103 1, Е01С 19/10, Способ и установка изготовления наполнителя для асфальтобетона.

2. Патент RU 2378210 C1, С04В 26/36, Способ получения асфальтобетонной смеси.

3. Патент RU №2466161, C08L 95/00, В82В 1/00, С04В 26/26, С08K 3/22, C08J 11/04, Способ получения асфальтобетонной смеси (прототип).