Результат интеллектуальной деятельности: СОСТАВ СМЕСИ ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Изобретение относится к области строительного производства в автодорожной отрасли и может быть применено при изготовлении асфальтобетона, в том числе с использованием нанотехнологий.

Известна асфальтобетонная смесь по способу упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом, содержащая щебень, отсев щебня, песок и нефтяной битум марки БНД 90/130 с модифицирующей добавкой «Таунит». Нефтяной битум модифицирован углеродными наноматериалами в количестве 0,01-0,005% от массы битума при ультразвуковом воздействии в ультразвуковой мешалке в течение 6 часов. Результатом данного способа модифицирования битума является улучшение прочности и упругости получаемого асфальтобетонного покрытия, а также повышение водостойкости, теплостойкости и морозостойкости и расширение температурного диапазона его укладки в области отрицательных температур (см. патент РФ №2515007, МПК C08L 95/00, С04В 26/26, В82В 1/00, опубл. 10.05.2014).

Недостатком данного способа является использование продолжительной ультразвуковой обработки, в течение 6 часов, для равномерного распределения и модификации битума ультразвуком, а также трудоемкий и технологически сложный процесс получения модифицирующей добавки «Таунит»: получение добавки происходит за счет газофазного химического осаждения (каталитический пиролиз-CVD) углеводородов (C_xH_y) на катализаторах (Ni/Mg) при атмосферном давлении и температуре 580÷650°C.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является состав асфальтобетона с наноструктурирующим модификатором, при применении которого достигается более высокая износостойкость асфальтобетона за счет улучшения свойств не только битумной основы, но и повышения адгезии между компонентами асфальтобетона. Модифицирующее действие такого материала достигается за счет того, что модификатор представляет собой структуру из равномерно распределенных в битумной основе углеродных нанотрубок в количестве 0,2-10 мас. %, технического углерода в количестве 10-20 мас. % и органоглины в количестве 1-20 мас. % путем диспергирования добавки в расплаве битума при ультразвуковом воздействии (см. патент РФ №2412126, МПК С04В 24/36, С04В 20/10, В82В 3/00, опубл. 20.02.2011, бюл. №5).

Недостатком такой смеси является высокое содержание модификатора, в количестве 0,1% от массы асфальтобетонной смеси, а также использование ультразвуковой обработки для равномерного распределения добавки в битуме.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава смеси для асфальтобетона с углеродными наноматериалами.

Технический результат изобретения заключается в повышении прочности асфальтобетона на сжатие при 50°C, повышении прочности на сжатие при 20°C, снижении расхода углеродных наноматериалов.

Технический результат достигается тем, что состав смеси для асфальтобетона, включающий щебень, песок, битум и углеродную добавку, согласно изобретению, содержит щебень фр. 5-15 мм, битум БНД 90/130, в качества песка - кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3, в качестве углеродной добавки - углеродные наноматериалы, полученные как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющие луковичные и нитевидные углеродные структуры, с предварительным их распределением в подогретом до 130-140°C битуме в количестве 0,03-0,06 мас. % от указанной смеси и дополнительно минеральный порошок МП-1 при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный щебень - 42-44, указанный песок - 48-50, минеральный порошок МП-1 - 8-9, указанный битум - 5,4-5,6 (сверх минеральной части).

Отличительной особенностью предлагаемого состава смеси для асфальтобетона является использование в качестве углеродной добавки углеродных наноматериалов, имеющих луковичные и нитевидные углеродные структуры, что способствует повышению пределов прочности при сжатии при температурах 50°C и 20°C, а также исключению распределения добавки в битуме ультразвуком.

В ходе проведения экспериментов установлено, что для равномерного распределения углеродных наноматериалов в общем составе смеси, исключения возможности их агрегации и седиментации при введении в смесь сверхмалых количеств, битум при добавлении углеродных наноматериалов подвергают нагреву до рабочей температуры приготовления асфальтобетонной смеси, равной 130-140°C. Нагревание битума, содержащего углеродные наноматериалы, достаточно для обеспечения однородного их распределения в среде-носителе.

В качестве углеродной добавки в предлагаемом изобретении используются углеродные наноматериалы, полученные как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе. В результате под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ, активированный уголь и углеродные наноматериалы. Полученные углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в них таких основных форм наночастиц как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, нановолокна). Полученные углеродные наноматериалы имеют средний размер первичных частиц не более 100 нм (по данным элетронно-микроскопического анализа) [см. патент РФ №2488984, Н05Н 1/00, В82/В 1/00, опубл. 27.07.2011, бюл. №21].

Предлагаемый состав смеси для асфальтобетона содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: щебень фракции 5-15 мм - 42-44; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 - 48-50; минеральный порошок МП-1 - 8-9; при этом битум БНД 90/130 берут в количестве - 5,4-5,6 сверх минеральной части; углеродные наноматериалы, полученные как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющие луковичные и нитевидные углеродные структуры, берут в количестве - 0,03-0,06 от массы асфальтобетонной смеси. В ходе проведения экспериментов установлено, что именно такой состав смеси для асфальтобетона обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных показателей на сжатие при температурах: 20°C и 50°C, превышающих показатели прочности бездобавочного асфальтобетона в среднем на 55-70% и на 60-75% соответственно и прототипа при температурах: 20°C и 50°C, в среднем на 5-15% и на 10-15% соответственно, уменьшении расхода углеродных наноматериалов. Повышение прочности объясняется улучшением структурирования модифицированного битума углеродными наноматериалами, следовательно, вяжущее эффективнее переводится из объемного в пленочное состояние, из-за чего происходит рост прочности асфальтобетона при 50°C.

Экспериментально установлено, что при введении в состав смеси для асфальтобетона углеродных наноматериалов, полученных как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющих луковичные и нитевидные углеродные структуры, в количестве менее 0,03 мас. % от массы асфальтобетонной смеси наблюдается незначительное повышение прочностных показателей по сравнению с контрольным бездобавочным составом, а введение углеродных наноматериалов в количестве более 0,06 мас. % от массы асфальтобетонной смеси является нецелесообразным, так как ведет к удорожанию конечной стоимости готового продукта - асфальтобетона. При этом введение углеродного наноматериала, полученного как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющего луковичные и нитевидные углеродные структуры, в указанном интервале позволяет получить параметры прочности при сжатии, превышающие показатели прочности бездобавочного асфальтобетона при температурах: 20°C и 50°C, в среднем на 55-70% и на 60-75% соответственно и прототипа при температурах: 20°C и 50°C, в среднем на 5-15% и на 10-15% соответственно.

Экспериментальные исследования показали, что количественное изменение соотношения компонентов состава смеси для асфальтобетона мас. %: щебень фракции 5-15 мм - 42-44; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 - 48-50; минеральный порошок МП-1 - 8-9; при этом битум БНД 90/130 берут в количестве - 5,4-5,6 сверх минеральной части; углеродные наноматериалы берут в количестве - 0,03-0,06 от массы асфальтобетонной смеси, что позволяет варьировать состав смеси для асфальтобетона без ощутимого изменения прочностных показателей.

Компоненты состава смеси для асфальтобетона подобраны таким образом, чтобы получаемые образцы имели максимальные прочностные показатели.

Для получения предлагаемого состава смеси для асфальтобетона использовались следующие материалы: щебень фракции 5-15 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 8267-82, ГОСТ 10260-82, ГОСТ 8268-82; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-85; минеральный порошок МП-1 - молотый известняк/мрамор, битум марки БНД 90/130 производства Ангарского нефтеперерабатывающего завода Иркутской области.

Были приготовлены три смеси компонентов, мас. %: щебень фракции 5-15 мм - 42-44; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 - 48-50; минеральный порошок МП-1 - 8-9; при этом битум БНД 90/130 берут в количестве - 5,4-5,6 сверх минеральной части; углеродные наноматериалы берут в количестве - 0,03-0,06 от массы асфальтобетонной смеси (составы 1-3, табл. 1). Одновременно готовят контрольный бездобавочный состав асфальтобетона (состав 4, табл. 1). Кроме того, готовят два известных состава асфальтобетона с использованием щебня, песка, битума и наноструктурирующих модификаторов на основе битума (соответственно составы 5 и 6 по прототипу, табл. 1).

Смеси для составов 1-3 готовят следующим образом: углеродные наноматериалы, полученные как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющие луковичные и нитевидные углеродные структуры, добавляют в предварительно обезвоженный и разогретый до 130-140°C битум БНД 90/130 и перемешивают с целью равномерного распределения углеродных наноматериалов. Минеральные материалы (щебень, кварц-полевошпатовый песок, минеральный порошок МП-1) предварительно высушивают. Кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 и щебень фракции 5-15 мм нагревают, периодически помешивая, до температуры 160-170°C, затем добавляют ненагретый минеральный порошок МП-1 и нагретый в отдельной емкости модифицированный битум. Смеси минеральных материалов с модифицированным битумом окончательно перемешивают в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов в течение 4-5 минут, до равномерного покрытия всех минеральных зерен битумом. При изготовлении образцов формы и вкладыши нагревают до температуры 90-100°C. Смесь полученного состава равномерно распределяют в форме штыкованием ножом. Формы с асфальтобетонной смесью ставят на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Давление на уплотняемую смесь доводят до 40 МПа, время нагружения составляет 3 мин. Затем образцы извлекают из формы выжимным приспособлением. Аналогичным образом готовят образцы из контрольной смеси компонентов (состав 4, табл. 1): минеральные материалы (щебень, кварц-полевошпатовый песок, минеральный порошок МП-1) предварительно высушивают. Кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 и щебень фракции 5-15 мм нагревают, периодически помешивая, до температуры 160-170°C, затем добавляют ненагретый минеральный порошок и нагретый в отдельной емкости модифицированный битум. Смеси минеральных материалов с модифицированным битумом окончательно перемешивают в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов в течение 4-5 минут, до равномерного покрытия всех минеральных зерен битумом. При изготовлении образцов формы и вкладыши нагревают до температуры 90-100°C. Смесь равномерно распределяют в форме штыкованием ножом. Формы с асфальтобетонной смесью ставят на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Давление на уплотняемую смесь доводят до 40 МПа, время нагружения составляет 3 мин. Затем образцы извлекают из форм выжимным приспособлением. Известные смеси компонентов (составы 5, 6 - по прототипу, табл. 1; варианты состава добавок представлены в табл. 2) готовят следующим образом: технический углерод - 10-20%, органоглину (межплоскостное расстояние 3 нм) - 1-20%, углеродные нанотрубки (длинна 0,2-10 мкм, диаметр 1,0-7,0 нм, число графеновых слоев от 1 до 5) - 0,2-10%) и битум 50,0-88,8% диспергируют в ультразвуковой ванне типа «Сапфир» в течение 10 минут при температуре 180°C. Затем полученный модификатор в количестве 0,1% от общей массы асфальтобетонной смеси добавляют в битум и перемешивают с целью равномерного распределения углеродного наномодификатора. Минеральные материалы (щебень, песок) предварительно высушивают. Песок и щебень нагревают, периодически помешивая, до температуры 160-170°C, затем добавляют нагретый в отдельной емкости модифицированный битум. Смеси минеральных материалов с модифицированным битумом окончательно перемешивают в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов в течение 4-5 минут, до равномерного покрытия всех минеральных зерен битумом. При изготовлении образцов формы и вкладыши нагревают до температуры 90-100°C. Смесь равномерно распределяют в форме штыкованием ножом. Формы с асфальтобетонной смесью ставят на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Давление на уплотняемую смесь доводят до 40 МПа, время нагружения составляет 3 мин. Затем образцы извлекают из форм выжимным приспособлением.

Исследуемые образцы испытывают на прочность при сжатии при 50°C и при 20°C. Испытания проводятся по стандартным методикам и для каждого вида испытаний изготавливаются образцы в соответствии с требованиями ГОСТ 12801-98 - «Материалы на основе органических вяжущих веществ, для дорожного и аэродромного строительства». В таблице 3 представлены прочностные показатели составов 1-6 исследуемых асфальтобетонов.

Анализ полученных результатов (табл. 3) позволяет сделать следующие выводы:

- прочность асфальтобетона при температуре 20°C с использованием углеродных наноматериалов лежит в пределах 3,9-4,3 МПа, что превышает прочность асфальтобетона без добавок в среднем на 55-70% и прочность асфальтобетона по прототипу на 5-15%;

- прочность асфальтобетона при температуре 50°C с использованием углеродных наноматериалов лежит в пределах 1,6-1,75 МПа, что превышает прочность асфальтобетона без добавок в среднем на 60-75% и прочность бетона по прототипу на 10-15%;

- в составе смеси для асфальтобетона используются углеродные наноматериалы, полученные как сопутствующий продукт при комплексной переработке углей;

- введение углеродных наноматериалов в разогретый до 130-140°C битум не требует распределения с помощью ультразвука, что упрощает технологический процесс подготовки асфальтобетонной смеси.

Предлагаемый состав смеси для асфальтобетона готовят следующим образом: берут углеродные наноматериалы, полученные как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе и имеющие луковичные и нитевидные углеродные структуры, в количестве 0,03-0,06 мас. % от массы асфальтобетонной смеси и добавляют в предварительно обезвоженный и разогретый до 130-140°C битум марки БНД 90/130 производства Ангарского нефтеперерабатывающего завода, который берут в количестве - 5,4-5,6 мас. % сверх минеральной части и перемешивают с целью равномерного распределения углеродного наноматериала. Минеральные материалы (щебень, кварц-полевошпатовый песок, минеральный порошок МП-1) предварительно высушивают. Кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 - 48-50 мас. % и щебень фракции 5-15 мм 42-44 мас. % нагревают, периодически помешивая, до температуры 160-170°C, затем добавляют ненагретый минеральный порошок МП-1 - молотый известняк/мрамор 8-9 мас. % и нагретый в отдельной емкости модифицированный битум. Смеси минеральных материалов с модифицированным битумом окончательно перемешивают в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов в течение 4-5 минут, до равномерного покрытия всех минеральных зерен битумом. При изготовлении образцов формы и вкладыши нагревают до температуры 90-100°C. Смесь равномерно распределяют в форме штыкованием ножом. Формы с асфальтобетонной смесью ставят на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Давление на уплотняемую смесь доводят до 40 МПа, время нагружения составляет 3 мин. Затем образцы извлекают из форм выжимным приспособлением.

Примеры, подтверждающие получение асфальтобетонной смеси с использованием в качестве углеродной добавки углеродных наноматериалов, полученных как побочный продукт при плазменной обработке угля и имеющих луковичные и нитевидные углеродные структуры.

Пример 1: в качестве добавки используются углеродные наноматериалы, которые получены как побочный продукт при плазменной обработке угля в плазменном реакторе. В результате под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ, активированный уголь и углеродные наноматериалы. Полученные углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в них таких основных форм наночастиц как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, нановолокна). Полученный углеродный наноматериал имеет средний размер первичных частиц не более 100 нм (по данным элетронно-микроскопического анализа).

Углеродные наноматериалы берут в количестве 0,03% от общей массы асфальтобетонной смеси и добавляют в предварительно обезвоженный и разогретый до 130-140°C битум марки БНД 90/130 производства Ангарского нефтеперерабатывающего завода, которого берут - 5,6 мас. % сверх минеральной части с целью равномерного распределения углеродных наноматериалов. Минеральные материалы (щебень, кварц-полевошпатовый песок, минеральный порошок МП-1) предварительно высушивают. Кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3 - 50 мас. % и щебень фракции 5-15 мм 42 мас. % нагревают, периодически помешивая, до температуры 160-170°C, затем добавляют ненагретый минеральный порошок МП-1 - молотый известняк/мрамор 8 мас. % и нагретый в отдельной емкости модифицированный битум БНД 90/130. Смеси минеральных материалов с модифицированным битумом окончательно перемешивают в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов в течение 4-5 минут, до равномерного покрытия всех минеральных зерен битумом. При изготовлении образцов формы и вкладыши нагревают до температуры 90-100°C. Смесь равномерно распределяют в форме штыкованием ножом. Формы с асфальтобетонной смесью ставят на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Давление на уплотняемую смесь доводят до 40 МПа, время нагружения составляет 3 мин. Затем образцы извлекают из форм выжимным приспособлением.

Предел прочности на сжатие при 50°C горячего, плотного, мелкозернистого асфальтобетона типа «Б», марки II составляет 1,6 МПа, предел прочности на сжатие при 20°C составляет 3,9 МПа.

Пример 2: проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов: углеродные наноматериалы берут в количестве 0,045% от общей массы асфальтобетонной смеси; битум марки БНД 90/130 производства Ангарского нефтеперерабатывающего завода берут в количестве - 5,5 мас. % сверх минеральной части; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3-49 мас. %; щебень фракции 5-15 мм 43 мас. %; минеральный порошок МП-1 - молотый известняк/мрамор 8 мас. %

Предел прочности на сжатие при 50°C горячего, плотного, мелкозернистого асфальтобетона типа «Б», марки II составляет 1,75 МПа, предел прочности на сжатие при 20°C составляет 4,3 МПа.

Пример 3: проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов: углеродные наноматериалы берут в количестве 0,06 % от общей массы асфальтобетонной смеси; битум марки БНД 90/130 производства Ангарского нефтеперерабатывающего завода берут в количестве 5,4 мас. % сверх минеральной части; кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности 3-48 мас. %; щебень фракции 5-15 мм 44 мас. %; минеральный порошок МП-1 - молотый известняк/мрамор 8 мас. %.

Предел прочности на сжатие при 50°C горячего, плотного, мелкозернистого асфальтобетона типа «Б», марки II составляет 1,65 МПа, предел прочности на сжатие при 20°C составляет 4,0 МПа.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом (см. патент РФ №2412126, МПК С04В 24/36, С04В 20/10, В82В 3/00, опубл. 20.02.2011, бюл. №5) позволяет получить следующие преимущества:

- уменьшение расхода углеродных наноматериалов;

- использование в качестве добавки углеродных наноматериалов, полученных более экономичным способом (см. патент РФ №2488984, МПК ⁸ Н05Н 1/00, В82В 1/00, опубл. 27.07.2013, бюл. №21);

- исключение распределения добавки в битуме ультразвуком, применение которого требует значительных затрат энергии, передача которой посредством звукового поля затруднительна;

- повышение пределов прочности на сжатие при температурах 50°C и 20°C при использовании в качестве добавки углеродных наноматериалов.