Результат интеллектуальной деятельности: АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области материалов для дорожного строительства, в частности к составам модифицированных асфальтобетонных смесей, и может быть использовано при строительстве и ремонте покрытий автомобильных дорог, аэродромов, городских улиц, мостов и т.п.

Битум является основным структурообразующим компонентом асфальтобетона, в большей степени предопределяющим его свойства [1]. Традиционно в качестве вяжущего в составе асфальтобетона рассматривают битум, он «работает» в смеси с минеральным порошком, формируя структуру асфальтового вяжущего. Минеральный порошок в составе асфальтобетона является активным структурирующим наполнителем битума. От соотношения между битумом и минеральным порошком в составе асфальтобетона и свойств этих компонентов зависят свойства асфальтового вяжущего. Деформативные свойства асфальтобетона в значительной степени зависят от свойств асфальтового вяжущего, использованного при приготовлении асфальтобетонной смеси [2]. Для правильного проектирования составов асфальтобетонных смесей важно знать не только свойства исходного битума, но и то, как эти свойства влияют на свойства асфальтового вяжущего [3].

Изучение стойкости битумных вяжущих и асфальтобетонных смесей на их основе к биоповреждению и старению, а также разработка биостойких и климатически стойких композитов представляет важную проблему.

Низкая биостойкость битумов отрицательно сказывается на долговечности асфальтобетонов, приготовленных с его использованием. Очевидно, что необходимо предусматривать методы защиты данных материалов от разрушающих воздействий микроорганизмов, имеющихся в больших количествах в окружающей среде [4].

Погодно-климатические условия являются одним из основных факторов старения битума в покрытии. В районах с высокими летними температурами и большой солнечной радиацией к битумам следует предъявлять повышенные требования, ограничивающие интенсивность их старения [5].

Старение битума отрицательно сказывается на его сопротивляемости микробиологическому воздействию. Состаренный битум подвергается более интенсивному обрастанию микроскопическими грибами. Это объясняется наличием большого количества асфальтенов и меньшей степенью их защищенности маслами вследствие уменьшения последних в состаренном битуме [4].

Известен горячий плотный асфальтобетон типа Г, с составом минеральной части асфальтобетонной смеси: отсев гранитной крошки Кузнецовского карьера фракции 2-5 мм и битумом модифицированным добавкой «Мобит-С», изготовленной путем взаимодействия кубового остатка дистилляции кислот, полученных после омыления животных и растительных жиров, триэтаноламина и элементарной серы [6].

Известный состав асфальтобетонной смеси типа Г обладает пониженным коэффициентом водостойкости (0,88), повышенным водонасыщением по объему (2,2 %). Не исследованы стойкость к старению и биокоррозия.

Известна асфальтобетонная смесь типа В марки II, содержащая щебень фракции 5-20 мм, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, модифицированный битум (битум с продуктом взаимодействия борной кислоты, диэтаноламина и смеси жирных кислот растительных масел фракции C₆-C₂₀ – 0,5-2,0 мас. %) [7].

Известный состав асфальтобетонной смеси является грибостойким (0 баллов по методу 1 ГОСТ 9.049-91), однако другие показатели его некорректно сравнивать с предлагаемыми составами, поскольку он является типом В, который не исследовался в заявляемом изобретении.

Известна асфальтобетонная смесь, включающая битум, минеральный порошок, природный песок, щебень и добавку – четвертичное аммониевое соединение на основе смоляных кислот Биоцик Т марки БТ-20 – дегидроабиетил-4-карбонилэтоксидиметлэтиламмоний бромид [8].

Известные составы асфальтобетонной смеси являются грибостойкими. Недостатками являются недостаточно высокие показатели средней плотности, прочности при сжатии, и коэффициента водостойкости.

Известна асфальтобетонная смесь мелкозернистого типа В марки II, содержащая щебень фракции 3-20 мм, песок, минеральный порошок карбонатный известняковый, битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90 и адгезионные добавки серии Телаз. Применяют Телазы 1, 2 – амидоамиды кислот растительных масел; Телазы 1А, 2А, Л, ЛС – амиды кислот растительных масел [9].

Недостатками известных смесей с содержанием Телазов различных марок 2,0 мас. % являются низкие показатели предела прочности при сжатии при 20 °С (0,9-1,9 МПа) и коэффициента водостойкости (0,5-0,9), высокие показатели водонасыщения по объему (4,8-8,1 %). Не исследованы показатели биостойкости.

Известно использование в составе разделительной смазки продукта конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой, модифицированного натрием - ингибитора коррозии ТЕЛАЗ -Na. Синтез ингибитора коррозии ТЕЛАЗ -Na осуществляют в две стадии. На первой стадии получают промежуточный продукт (ТУ 2461-003-42408198-00) путем нагрева реакционной смеси, состоящей из олеиновой кислоты, диэтаноламина и борной кислоты (при мольном соотношении, например, 2:3:1, соответственно) до 200-220°C с перемешиванием до прекращения выделения H₂O. Полученный промежуточный продукт модифицируют путем введения гидроксида натрия NaOH в реакционную смесь при постоянном перемешивании при температуре 160-170°C (при содержании компонентов, например, 5 г NaOH на 100 г продукта, полученного на первой стадии). Основные показатели ингибитора коррозии ТЕЛАЗ -Na: аминное число - не менее 40 мг HCl/г, содержание механических примесей - не более 0,15 мас. %, содержание воды - не более 0,5 мас. % [10].

Известно использование в присадке и турбинном масле продукта конденсации олеиновой кислоты с боратом диэтаноламина (Телаз) с молекулярной массой (криоскопия) 380, содержанием (мас. %) С - 67,3, Н - 10,7, N - 3,6, В - 2,0, остальное - кислород, аминным числом - 46 мг HCl/г. Для получения продукта конденсации в реакционный сосуд, оборудованный мешалкой и термометром, загружают 400 г (1,4 М) олеиновой кислоты, 315 г (3,0 М) диэтаноламина и 62 г (1,0 М) борной кислоты. Температура повышается до 200-220°С. Реакционную массу перемешивают до прекращения выделения воды. В 200 г полученного конденсата добавляют 5 г 1,2,3-бензотриазола при 140°С, смесь перемешивают до получения прозрачного раствора [11, 12].

Известно использование в герметизирующей жидкости продукта конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой, нейтрализованный раствором гидроокиси калия - ингибитор коррозии ТЕЛАЗ -K. Синтез ингибитора коррозии ТЕЛАЗ -K осуществляют в две стадии. На первой стадии получают промежуточный продукт (ТУ 2461-003-42408198-00) путем нагрева реакционной смеси, состоящей из олеиновой кислоты, диэтаноламина и борной кислоты (при мольном соотношении, например, 2:3:1 соответственно) до 200-220°С с перемешиванием до прекращения выделения H₂O. Промежуточный продукт модифицируют путем введения гидроокиси калия в реакционную смесь при постоянном перемешивании в соотношении, например 5 г KOH на 100 г продукта, полученного на первой стадии при 160°С. Основные физико-химические показатели ингибитора коррозии ТЕЛАЗ -K: аминное число - не менее 40 мг НСl/г, содержание механических примесей - не более 0,15 мас. % и воды - не более 0,5 мас. % [13].

Известна асфальтобетонная смесь, содержащая щебень фракции 5-20 мм, песок из отсевов дробления горных пород, песок природный мытый фракции 0-5 мм, модифицированное битумное вяжущее (смесь битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД 60/90 с продуктом взаимодействия борной кислоты, диэтаноламина и смеси жирных кислот растительных масел фракции С₆-С₂₀, при мольном соотношении реагентов 1:3:(0,5-2,5) [14].

В известном решении состав асфальтобетонной смеси типа Б марки II с содержанием модификатора в количестве 0,5 мас. % обладает грибостойкостью (1 балл по методу 1 ГОСТ 9.049-91), однако наблюдаются низкие показатели прочности при сжатии при t=50°С (1,16 МПа), при t=20°С (3,25 МПа) и t=0°С (10,0 МПа). Известная щебеночная асфальтобетонная смесь выбрана в качестве прототипа для предлагаемых асфальтобетонных смесей типов А и Б.

Известна битумно-минеральная композиция, включающая битумное вяжущее - нефтяной дорожный битум, минеральный заполнитель - дробленый песок из плотных горных пород фракции 0,16-5 мм и минеральный наполнитель - смесь фосфогипса фракции менее 0,16 мм и известнякового минерального порошка [15].

Известная композиция может быть применена для получения битумных вяжущих, используемых в дорожных и аэродромных покрытиях. Недостатками составов композиций являются низкие показатели прочности при сжатии при t=50°С (1,5-2,3 МПа), при t=20°С (3,2-5,6 МПа) и t=0°С (6,4-8,5 МПа) и коэффициента водостойкости (0,82-0,95), высокие показатели водонасыщения по объему (до 6,3 %). Не исследованы показатели биостойкости. Известное техническое решение выбрано в качестве прототипа для предлагаемых асфальтобетонных смесей типов Г и Д.

Технический результат заключается в получении составов горячих асфальтобетонных смесей типов А, Б, Г, Д, обладающих высокими показателями средней плотности, предела прочности при сжатии при 50°С, 20°С и 0°С, коэффициента водостойкости и пониженным показателем водонасыщения, а также противостоящими биокоррозии и являющимися долговечными.

Сущность изобретения заключается в том, что асфальтобетонная смесь включает щебень или природный песок, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум нефтяной дорожный вязкий и продукт конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

В качестве модификатора содержит продукт конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой при мольном соотношении компонентов (0,5-2,5):3:(0,5-2,5) соответственно. Продукт конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой используют с аминным числом не менее 40 мг HCl/г.

Пример 1. Горячая высокоплотная щебеночная асфальтобетонная смесь типа А марки I включает щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум нефтяной дорожный вязкий и модификатор Телаз марок Л1, Л2, Л3, Л5 или Л6, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Пример 2. Горячая высокоплотная щебеночная асфальтобетонная смесь типа Б марки I включает щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум нефтяной дорожный вязкий и модификатор Телаз марок Л1, Л2, Л3, Л5 или Л6, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Пример 3. Горячая плотная песчаная асфальтобетонная смесь типа Г марки II включает природный песок, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум нефтяной дорожный вязкий и модификатор Телаз марок Л1, Л2, Л3, Л5 или Л6, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пример 4. Горячая плотная песчаная асфальтобетонная смесь типа Д марки II включает природный песок, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум нефтяной дорожный вязкий и модификатор Телаз марок Л1, Л2, Л3, Л5 или Л6, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Для приготовления модифицированного битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси на его основе применялись следующие материалы:

Крупный заполнитель: щебень гранитный фракции 3-10 мм по ГОСТ 8267-93 с насыпной плотностью – 1,59 г/см³ (ООО «Иссинский комбинат строительных материалов», Пензенская обл., п.г.т. Исса).

Мелкий заполнитель: природный песок фракции 0-5 мм по ГОСТ 8735-88 (песок мелкий I класса) с истинной плотностью – 2,6 г/см³ и насыпной плотностью – 1,28 г/см³, (Ичалковский р-он, п. Смольный); песок из отсевов дробления фракции 0-10 мм по ГОСТ 8735-88 (песок крупный II класса) с истинной плотностью – 2,81 г/см³ и насыпной плотностью – 1,67 г/см³ (ООО «Иссинский комбинат строительных материалов», Пензенская обл., п.г.т. Исса).

Наполнитель: неактивированный минеральный порошок МП-1 из карбонатных горных пород по ГОСТ Р 52129-2003 с истинной плотностью – 2,71 г/см³; средней плотностью – 1,71 г/см³ (ООО «Иссинский комбинат строительных материалов», Пензенская обл., п.г.т. Исса).

Вяжущее: битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90 (ОАО «Лукойл-Нижегороднефтеоргсинтез», Нижегородская обл., г. Кстово). БНД 60/90 применяют во II и III дорожно-климатических зонах (табл. 2 ГОСТ 22245-90).

Модификатор: Телаз – продукт конденсации олеиновой кислоты с диэтаноламином и борной кислотой. Марки Л1, Л2, Л3, Л5 и Л6 были специально синтезированы для испытаний с различным мольным содержанием кислот в пределах 0,5-2,5 М (НП ОАО «Синтез-ПАВ», г. Шебекино, Белгородская обл.). Температура конденсации в диапазоне 180…220°C для разных марок. Продукт выдерживают при данных температурах до образования однородной массы с аминным числом - 40 мг HCl/г. Растворяется в органических растворителях. IV класс опасности (малоопасный). Внешний вид – вязкая текучая жидкость коричневого цвета.

Способ изготовления битумного вяжущего с модификатором (модифицированного битума) заключался в обезвоживании и разогреве битума до 150-160°С и тщательном перемешивании в течение 20-30 мин с отмеренным количеством модификатора.

Определение пенентрации проводили по ГОСТ 11501-78, температуры размягчения – ГОСТ 11506-73; индекса пенетрации – ГОСТ 22245-90, прил. 2; качество сцепления модифицированного битумного вяжущего с поверхностью кислых пород (гранитный щебень Павловского месторождения) и основных пород (мрамор белый Коелгинского месторождения) определяли в соответствии с ГОСТ 12801-98, раздел 28, изм. №1. Для исследования биостойкости (грибостойкости и фунгицидности) модифицированных битумных вяжущих изготавливали образцы асфальтовых вяжущих, содержащие минеральный порошок и битум нефтяной дорожный вязкий с модификаторами, размером 1×1×3 см на специальной форме [16]. Испытания на биостойкость по ГОСТ 9.049-91 методами 1 и 3 проводили в лаборатории микробиологического анализа НИИХ ННГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород). В качестве тест-организмов использовали следующие виды плесневых грибов: Aspergillius niger, A. flafus, A. terreus, Penicillium cuclopium, P. funiculosum, P. chrysogenum, Paecilomyces varioti, Chaetomium globosum, Trichoderma viride.

В табл. 1 приведены составы модифицированных битумных вяжущих; табл. 2 - значения показателей физико-механических свойств модифицированных битумных вяжущих; табл. 3 - значения биостойкости асфальтовых вяжущих на основе модифицированного битумного вяжущего.

По результатам исследований (табл. 2) состав 5 обладает повышенной температурой размягчения по сравнению с контрольным составом 1, индекс пенетрации в составах 2, 3 и 5 в пределах нормы, сцепление с гранитным щебнем и мрамором у модифицированных составов (составы 2, 3, 4, 5 и 6) выше контрольного состава 1 (табл. 2). Полученные модифицированные составы асфальтовых вяжущих (составы 2, 3, 4, 5 и 6) обладают стойкостью к воздействию мицелиальных грибов (табл. 3).

Полученные составы модифицированных битумных вяжущих могут найти применение также для приготовления мастики, битумного лака, герметика, битумной эмульсии и т.п.

С полученными составами модифицированных битумных вяжущих были приготовлены составы асфальтобетонных смесей следующим образом. Подготовленные минеральные материалы – щебень (для типов А и Б) или природный песок (для типов Г и Д), песок из отсевов дробления, и минеральный порошок нагревали в сушильном шкафу до 150-160°С, после чего смешивали их с модифицированным битумных вяжущим нагретым до 150-160°С. Производили перемешивание смеси до равномерного распределения всех компонентов в модифицированном битумном вяжущем.

Образцы асфальтобетонной смеси изготавливались цилиндрической формы с использованием форм для асфальтобетона d=50,5 мм по технологии приготовления асфальтобетонных образцов, изложенной в разделе 6 ГОСТ 1280-98.

Среднюю плотность уплотненного материала определяли по ГОСТ 12801-98, раздел 7; водонасыщение по ГОСТ 12801-98, раздел 13; предел прочности при сжатии по ГОСТ 12801-98, раздел 15; коэффициент водостойкости по ГОСТ 12801-98, раздел 19; коэффициент теплоустойчивости R₂₀/R₅₀ [17]. С целью изучения долговечности, асфальтобетонные образцы выдерживали в течение 36 мес в условиях воздействия морской воды в районе с. Абрау-Дюрсо (Краснодарский край). После экспонирования образцы были исследованы на изменение основных физико-механических свойств, среди которых рассматривались: средняя плотность, водонасыщение, прочность при сжатии при (50±2)°С, (20±2)°С и (0±2)°С, коэффициенты водостойкости и теплоустойчивости.

Для исследования биостойкости (грибостойкости и фунгицидности) асфальтобетонной смеси на основе модифицированных битумных вяжущих изготавливали образцы аналогично образцам асфальтовых вяжущих. Из-за небольших размеров образцов (1×1×3 см), которые должны помещаться в чашки Петри, исследования проводили на асфальтобетонных образцах только песчаных типов Г и Д.

В табл. 4 приведены составы асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумных вяжущих; табл. 5 - значения показателей физико-механических свойств асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумных вяжущих; табл. 6 - биостойкость асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумных вяжущих; табл. 7 - значения показателей физико-механических свойств асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумных вяжущих после 36 месяцев экспонирования в условиях морской воды.

Можно полагать, что асфальтобетонные образцы высокоплотных типов А и Б также являются биостойкими на основании полученных данных из табл. 3.

В результате проведенных исследований рекомендованы следующие составы, обладающие повышенными физико-механическими свойствами, такими как средняя плотность, предел прочности при сжатии при 50°С, 20°С и 0°С, коэффициент водостойкости и пониженный показатель водонасыщения, а также противостоящими биокоррозии и являющимися долговечными - состав 8 (тип А), состав 14 (тип Б), состав 20 (тип Г) и состав 25 (тип Д).

Оптимально подобранные химико-минералогический и гранулометрический составы компонентов предлагаемого изобретения способствуют получению долговечных и биостойких асфальтобетонных дорожных покрытий различных типов с высокими физико-механическими свойствами для II-й и III-й дорожно-климатических зон.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить показатели средней плотности, предела прочности при сжатии при 50°С, 20°С и 0°С, коэффициента водостойкости, понизить показатель водонасыщения, а также придать составам горячих асфальтобетонных смесей типов А, Б, Г, Д биостойкость и долговечность.

Источники информации

1. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев. Под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1985. – С. 13.

2. Сахаров П.В. Способы проектирования асфальтобетонных смесей / П.В. Сахаров // Транспорт и дороги города. – 1935. - № 12. – С. 11-16.

3. Руденский А.В. Как продлить жизнь дорожного полотна / А.В. Руденский // Автомоб. дороги. – 2009. - № 2. – С. 36-40.

4. Пронькин С.П. Стойкость битумных материалов в условиях воздействия почвенных микроорганизмов : дис. … канд. тех. наук / С.П. Пронькин ; Пенз. госуд. универ. арх. и строит., 2006. - С. 42, 134-135.

5. Илиополов С. К. Органические вяжущие для дорожного строительства: учеб. пособие / С. К. Илиополов, И. В. Мардиросова, Е. В. Углова. - Ростов н/Д.: Юг, 2003. – С. 115-121.

6. RU 2094427, МПК C07C 233/18, C04B 24/08, C04B 24/12, опубл. 27.10.1997.

7. RU 2461594, МПК С08L 95/00, C04B 26/26, C08K 11/00, опубл. 20.09.2012.

8. RU 2308430, МПК C04B 26/26, опубл. 20.10.2007.

9. Ликомаскин А.И. Исследование и разработка долговечных асфальтобетонов, модифицированных аминопроизводными соединениями: дис. … канд. тех. наук / А.И. Ликомаскин; Пенз. госуд. универ. арх. и строит., 2004. - С. 41, 42, 111.

10. RU 2615504, МПК B28 B 7/38, C10M 101/04, опубл. 05.04.2017.

11. RU 2439137, МПК C10M 141/12, опубл. 10.01.2012.

12. RU 2439136, МПК С01M 141/12 и др., опубл. 10.01.2012.

13. RU 2617170, МПК С09K 3/10, C08L 91/00, опубл. 21.04.2017.

14. RU 2461523, МПК С04В 26/26, С08L 95/00, опубл. 20.09.2012.

15. RU 2436819, МПК C08L 95/00, опубл. 20.12.2011.

16. RU 2593065, МПК B22C9/00, G01N33/38, опубл. 27.07.2016.

17. Шестоперов С.В. Дорожно-строительные материалы : учебник / С.В. Шестоперов. – М.: Высшая школа, 1969. – С. 34.