Результат интеллектуальной деятельности: АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ

Изобретение относится к области материалов для дорожного покрытия, в частности к модифицированным асфальтобетонным смесям, и может быть использовано в дорожном и аэродромном строительстве.

Известны асфальтобетонные смеси (ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные». Но в них не используется в качестве компонента вяжущего битумно-солевая масса, обеспечивающая увеличение срока службы дорожного покрытия. Нет сведений об использовании в качестве модифицирующей добавки в составе вяжущего битумно-солевой массы, взятой при уничтожении химического оружия.

Задача, на которое направлено изобретение, состоит в существенном увеличении срока службы дорожного полотна, сокращении расходов на его обслуживание и возможности утилизации отходов техногенного происхождения, в частности от уничтожения химического оружия.

Технический результат заключается в повышении механических характеристик асфальтобетонных смесей, в частности прочности на сжатие и раскалывание.

Технический результат достигается тем, что асфальтобетонная смесь, содержащая щебень, песок, минеральный порошок, битум, включает в составе вяжущего битумно-солевую массу в соотношении 10-35% от массы битума.

Развитие любой системы, как и различных типов дорожных одежд, возможно двумя способами: первое - создание принципиально новых типов покрытий, а значит, и материалов, и второе - совершенствование имеющихся типов и конструкций покрытия дорог.

Накопление на сегодняшний день значительных запасов отходов техногенного и природного происхождения позволяет сделать вывод о целесообразности развития дорожных покрытий по второму варианту, так как имеющиеся запасы отходов могут быть использованы в качестве различных модифицирующих добавок.

Ввиду того, что Российская Федерация накопила значительное количество отходов при уничтожении химического оружия после подписания Конвенции о запрещении производства, хранения и распространении химического оружия, очевидным направлением его использования (утилизации) является дорожное строительство. Этому способствует то обстоятельство, что получаемые отходы представляют собой битумно-солевую массу (БСМ), в состав которой входит: нефтяной битум - 97,411%; кальциевая соль кислого эфира метилфосфоновой кислоты, кальциевая соль метилфосфиновой кислоты, аминоэтилизопропилметилфосфонат, диизопропиловый эфир метилфосфоновой кислоты - 2,457%; фторид кальция - 0,132%; зарин - 1,0·10^-8%.(Паспорт опасного отхода. Битумно-солевая масса (при уничтожении зарина). ФБУ - войсковая часть 70655 (1207 объект по хранению и уничтожению химического оружия). 2012 г.)

Исходя из классификации добавок, вводимых в битумы и асфальтобетонные смеси, БСМ можно отнести к поверхностно-активным веществам (ПАВ) при введении непосредственно в битум, а при введении в асфальтобетонные смеси как структурирующие и стабилизирующие.

Технологически наиболее целесообразным будет введение БСМ в асфальтобетонную смесь при ее непосредственном производстве, так как в противном случае необходимо будет устанавливать дополнительный смесительный узел в технологической линии.

Так как наиболее распространенным видом качественного покрытия дорог является асфальтобетон, то исходя из физико-механических требований к нему важнейшими являются прочность на сжатие и прочность на раскалывание при температурах 0°С, 20°С и 50°С.

Испытания и изготовление образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 12801-98. «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний». В состав испытуемых образцов входили: в качестве вяжущего использовали битум нефтяной дорожный марки БНД 60/90; щебень фракции 0…20 мм; песок с модулем крупности 2,0; минеральный порошок, являющийся шламом щелочного травления, содержащего: SiO₂ - 6,51%, СаО - 24,83%, Al₂O₃ - 1,51%, Fe(общ) - 10,01%, FeO - 0,63%, S - 6,71%, P₂O₅ - 0,188%, ПМПП - 21,92% [2]; БСМ, входящая в состав вяжущего (состав смотри выше).

Определение влияния БСМ на механические характеристики асфальтобетонной смеси производились путем изменения соотношения компонентов смеси в общем составе единицы объема испытываемого образца при температуре 20°С. Содержание БСМ в массе вяжущего постоянно и составляло 20%. Вяжущим является битум. Для проведения экспериментов использовалась методика математического планирования с последующим получением математической модели (уравнения регрессии) по принципу «черного ящика».

При составлении плана эксперимента факторами варьирования были приняты: песок - фактор X₁; минеральный порошок - фактор Х₂; вяжущее (битум) - фактор Х₃. Все факторы варьировались по плану эксперимента в интервале от 0 до 1. Четвертый компонент исследуемого состава - щебень, принимался везде с постоянным показателем и в варьировании факторов не участвовал.

На основании анализа предыдущих исследований и многочисленных публикаций интервалы варьирования компонентов в процентах к массе (% мас.) были приняты: песок (фактор Х₁) от 14,32 до 18,32% масс.; минеральный порошок (фактор Х₂) от 3,07 до 7,07% масс.; вяжущее (фактор Х₃) от 3,88 до 7,88% масс; щебень не варьируемый компонент во всех составах и содержится в количестве 74,73% масс.

Ввиду изменения распределения внутренних напряжений, при испытании исследуемых составов и образцов на раскалывание при сжатии, изменяется и характер восприятия внешней нагрузки, а следовательно, и механические показатели. Изменение характера работы вызвано значительным увеличением доли напряжений растяжения в поперечном сечении исследуемого образца. Усилия растяжения могут восприниматься многокомпонентными системами только в случае, когда адгезионное сцепление между компонентами велико. Максимальный положительный коэффициент уравнения регрессии находится в комбинации при совместной работе факторов Х₂ (минеральный порошок) и Х₃ (битум). Это объясняется тем, что в БСМ присутствует кислотная составляющая, а в минеральном порошке - щелочная, что в результате и обеспечивает их активное взаимодействие. Дополнение песка к этой двухкомпонентной системе оказало отрицательное влияние, поскольку пески являются кислыми компонентами (основа SiO₂), то для них адгезионного потенциала БСМ не хватило при заданном интервале варьирования.

После проведения испытания и статистической обработки полученных результатов остается определить вклад БСМ при формировании прочностных характеристик в асфальтобетонах. Для этого было выбрано и испытано два состава за №1 и 2, т.к. они показали максимальные значения по прочности. Для сопоставления в указанные контрольные составы БСМ не вводилась, а была заменена битумом этой же марки. Таким образом контрольный и экспериментальный составы №1 (песок - 14,32%, минеральный порошок - 5,07%, битум - 5,88%, щебень - 74,73%) прочность на сжатие показали - 5,4 МПа(с БСМ - 20% в составе битума - 11,68 МПа) и на прочность при раскалывании 0,97 МПа (с БСМ - 20% в составе битума - 1,95 МПа), у состава №2 (песок - 14,32%, минеральный порошок - 3,07%, битум - 7,88%, щебень - 74,73%,) - 4,21 МПа (с БСМ - 20% в составе битума - 12,43 МПа) и 0,94 МПа (с БСМ - 20% в составе битума - 1,73 МПа) соответственно.

При введении БСМ в составы вяжущего рассмотренных асфальтобетонных смесей в интервалах от 10 до 35% эффект увеличения прочности по сравнению с контрольными присутствует в различной степени, но при содержании БСМ - 20% эффект максимален.

При введении БСМ - 10% прочность на сжатие и раскалывание увеличилась на 5% по сравнению с контрольными, а при 35% - увеличение прочности составило 12%.

На основании вышеизложенного можно сделать однозначный вывод, что введение битумно-солевых масс в асфальтобетонные смеси значительно повышает их механические характеристики, что соответствует требованиям ГОСТа 31015-2002. Это вызовет существенное увеличение срока службы дорожного полотна и сокращение расходов на его обслуживание, а также позволяет использовать продукты утилизации химического оружия.