АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составу асфальтобетонной смеси, используемой для создания и ремонта покрытий в дорожном и аэродромном строительстве, а также к способу приготовления асфальтобетонной смеси.

Предшествующий уровень техники

Дорожные конструкции с асфальтобетонными покрытиями являются основным типом конструкций проезжей и пешеходных частей улиц, магистралей и аэродромных покрытий, при этом для повышения эксплуатационных свойств покрытий используют асфальтобетонные смеси, армированные различными типами волокон.

Известны технические характеристики по устройству дорожных конструкций с применением асфальтобетона ТР 103-07, подготовленные Департаментом градостроительной политики, развития и реконструкции Правительства Москвы, Москва, 2007 г., согласно которым асфальтобетонные смеси с волокнистыми наполнителями позволяют получить армированные асфальтобетоны, обладающие повышенной трещиностойкостью при пониженных температурах и устойчивостью в отношении образования пластических деформаций при высоких температурах. В качестве армирующих волокон могут быть использованы различные виды природных, полимерных или синтетических минеральных волокон, например целлюлозное волокно, асбестовое волокно, стекловолокно, базальтовое волокно и другие виды волокон. Однако уровень свойств армированных волокном покрытий, полученных согласно данным техническим рекомендациям, все еще остается неудовлетворительным. Недостатком методов с использованием указанных видов волокон является либо отсутствие армирующих свойств, как в случае с целлюлозной фиброй, что не позволяет достичь улучшенных показателей прочности, либо плохая адгезия, как в случае с полимерным волокном, что не позволяет достичь улучшенных показателей трещиностойкости.

В патентной литературе, в частности из CN 101081725, опубл. 05.12.2007, известно использование асфальтобетона с волокнистым заполнителем из полиакрилонитрильного волокна (ПАН волокна) 1,5-2,5 децитекс длиной 6 мм, добавляемым в количестве 0,2-0,3 от массы бетона. Асфальтобетон с полиакрилонитрильным волокнистым заполнителем имеет повышенный срок службы и стойкость к деформациям, высокую температурную стабильность, высокую водостойкость и не оказывает вредного влияния на окружающую среду и организм человека.

Из CN 1908069, опубл. 07.02.2007, известно введение в асфальтобетонные смеси 0,1-0,5% полого или пористого полимерного волокна с особой сложной формой поперечного сечения. Полимерное волокно может быть волокном на основе сложного полиэфира, полиакрилонитрильным волокном (ПАН волокном) или композициями из этих волокон. Однако формирование сложной формы поперечного сечения волокна дополнительно удорожает процесс получения асфальтобетонной смеси без значимого улучшения свойств покрытия.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является асфальтобетонная смесь согласно CN 101798196, опубл. 11.08.2010, содержащая волокно, содержащее 15-35% волокна на основе сложного полиэфира, 35-55% древесного волокна, 15-35% ПАН волокна и 15-35% нейлонового волокна. По данным CN 101798196 введение армирующего волокнистого наполнителя указанного состава способствует повышению стойкости на срез, снижает образование колеи и деформацию, повышает ударную вязкость при снижении строительных затрат и уменьшении собственного веса бетона. Однако используемая в CN101798196 смесь волокон содержит волокна из материалов, которые резко ограничивают температуру процесса получения асфальтобетонной смеси, так как температура их плавления или разложения гораздо ниже, чем температура приготовления большинства асфальтобетонов, обычно составляющая порядка 160°C. Тем самым, применение данной смеси фибр становится невозможным либо малоэффективным.

Таким образом, использование волокнистого заполнителя, содержащего только ПАН волокно или его смеси с волокном на основе сложного полиэфира, древесным волокном и нейлоновым волокном, не позволяет достичь заданного уровня армирующих свойств, в частности, не обеспечивает высокой устойчивости к образованию колеи.

В отношении способа приготовления асфальтобетонной смеси из патентного документа KR 100893545, опубликованного 17.04.2009, известен способ получения более устойчивого к образованию колеи асфальтобетона с введением в смесь поливинилацетатного (ПВА) волокна и конверторного шлака, в котором для упрощения процесса смешивания и укладки в полевых условиях осуществляют этапы, на которых осуществляют магнитный отбор конвертерного шлака низкой плотности, имеющего плотность 3,3 г/см³ или менее, осуществляют классификацию выбранного конвертерного шлака по размеру частиц на крупные заполнители и мелкие заполнители, вводят наполнитель и ПВА волокно в блок смешивания порошков, чтобы подготовить комбинированный наполнитель, вводят комбинированный наполнитель в упаковочный мешок и осуществляют укладку стойкого к образованию колей асфальтобетона путем смешивания и нагревания. Однако хранение комбинированного наполнителя, содержащего наполнитель и ПВА волокно, в упаковочных мешках способствует расслоению смеси и снижает однородность распределения волокна в асфальтобетонной смеси, тем самым ухудшая свойства полученного покрытия.

Из патента РФ № 2156227, опубликованного 20.09.2000, известен способ приготовления асфальтобетонной смеси, который осуществляют путем смешивания нагретых минеральных материалов, включающих каменные материалы и минеральный порошок, с битумом и армирующим наполнителем, при этом в качестве армирующего наполнителя используют базальтовые волокна длиной 2-40 мм, диаметром 150-200 мкм в количестве 0,8-1,1% от массы минеральных материалов, которые равномерно добавляют в минеральный порошок посредством емкости-дозатора, а затем вводят в смеситель до начала процесса основного перемешивания. В данном способе заранее подготовленную смесь минерального порошка с базальтовым волокном получают путем автоматизированной подачи волокна из емкости-дозатора на транспортер-элеватор минерального порошка. В процессе транспортировки волокно распределяется и смешивается с минеральным порошком, и полученную таким образом смесь минерального порошка и базальтового волокна далее подают в общий смеситель, после чего в смеситель загружают нагретые каменные материалы и битум и осуществляют окончательное перемешивание массы. В патенте РФ № 2156227 решается задача снижения себестоимости асфальтобетонной смеси, однако в процессе транспортировки на транспортере-элеваторе происходит только частичное предварительное смешивание минерального порошка с базальтовым волокном, что не обеспечивает требуемой однородности распределения волокон в асфальтобетонной смеси и тем самым ухудшает однородность свойств полученного асфальтобетонного покрытия.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является преодоление недостатков уровня техники и разработка армированной волокном асфальтобетонной смеси, в которой состав и свойства армирующего волокнистого наполнителя лучше всего сочетаются с нефтяными битумами, что обеспечивает лучшую адгезию битума, долговечность полученного покрытия, сохранение высокого уровня его свойств и существенное повышение устойчивости к образованию колеи. Заявленное изобретение также обеспечивает лучшее распределение волокон в общем объеме асфальтобетонной смеси за счет плотности используемых волокнистых материалов, близкой к плотности битумного вяжущего.

Разработанная асфальтобетонная смесь согласно изобретению учитывает коэффициенты температурного расширения волокон, входящих в состав композиции армирующего наполнителя, которые не должны значительно различаться для разных типов волокон, входящих в состав армирующего наполнителя, а также не должны значительно отличаться от аналогичного коэффициента битумного вяжущего. В технических решениях, известных из уровня техники, данные показатели не учитывались, что приводило к преждевременной потере набранных свойств конечной асфальтобетонной смеси и образованию дефектов дорожного покрытия в случае резких сезонных колебаний температур, а также проблемам, связанным с образованием колеи, существенно снижающей безопасность движения и требующей значительных затрат на ее устранение.

Поставленная задача изобретения решается за счет того, что асфальтобетонная смесь согласно изобретению включает минеральный материал, содержащий щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель, содержащий ПАН фибру и углеродное волокно, при следующем соотношении компонентов асфальтобетонной смеси, мас.%:

щебень 30-70,

мелкий заполнитель 10-65,

минеральный порошок 5-40,

битумное вяжущее 3-15 (сверх 100% от массы минерального материала),

ПАН фибра 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала),

углеродное волокно 0,01-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала).

Асфальтобетонная смесь указанного состава обеспечивает высокий уровень свойств и значительное повышение устойчивости к образованию колеи. Покрытие, полученное из асфальтобетонной смеси согласно изобретению, имеет скорость образования колеи менее 0,60 мм/10000 проходов, измеренную при температуре 50°С и нагрузке 0,6 МПа.

Поставленная задача изобретения решается также тем, что способ приготовления асфальтобетонной смеси включает предварительное сухое смешивание минерального порошка и армирующего волокнистого наполнителя, содержащего 0,1-0,15 мас.% ПАН фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала), в смесителе при скорости смешивания от 200 до 1500 об/мин, введение предварительно полученной смеси минерального порошка и указанного армирующего волокнистого наполнителя в перемешиваемые нагретые щебень и мелкий заполнитель с последующей подачей нагретого битумного вяжущего.

При предварительном смешивании минерального порошка и армирующего волокнистого наполнителя может дополнительно осуществляться нагрев до температуры 45-120°С.

Заявленный способ обеспечивает однородное распределение армирующего волокнистого наполнителя, содержащего ПАН фибру и углеродное волокно, в асфальтобетонной смеси при ее приготовлении, что способствует получению однородных высоких свойств асфальтобетонного покрытия, в частности стабильной высокой устойчивости к образованию колеи.

Использование разработанной авторами данного изобретения композиции армирующего волокнистого наполнителя, содержащего 0,1-0,15 мас.% ПАН фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала) также повышает стойкость асфальтобетона к воздействию кислых или щелочных агрессивных сред, позволяет уменьшить толщину верхнего слоя покрытия и значительно снизить расходы на каменный материал.

Осуществление изобретения

Согласно изобретению армирующий волокнистый наполнитель, содержащий 0,1-0,15 мас.% ПАН фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала) может вводиться в асфальтобетонные смеси всех типов, в частности в «высокоплотные» асфальтобетонные смеси и смеси типа «А» с содержанием щебня 50-70 мас.%; асфальтобетонные смеси типа «Б» с содержанием щебня 40-50 мас.%; асфальтобетонные смеси типа «В» с содержанием щебня 30-40 мас.%, а также в асфальтобетонные смеси типа «Г» без щебня; и смеси «ЩМА» (щебеночно-мастичный асфальт) с содержанием щебня 60-70 мас.%.

Заявленная смесь может содержать от 0 до 70 мас.% щебня, преимущественно от 30 до 70 мас.% щебня. При содержании щебня менее 30 мас.% соответствующим образом содержание мелкого заполнителя должно быть увеличено до 95 мас.%. Для приготовления щебня могут быть использованы прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также прочные и морозостойкие медленно охлажденные металлургические шлаки. Предпочтительно прочность при сжатии горных пород должна быть не менее 100-120 МПа, а осадочных карбонатных пород и металлургических шлаков - не менее 80-100 МПа.

При изготовлении заявленной асфальтобетонной смеси мелкий заполнитель содержится в количествах от 10 до 65 мас.%, а в асфальтобетонных смесях без щебня - от 10 до 95 мас.%. Для получения заявленной асфальтобетонной смеси могут использоваться природные и дробленые пески, отсевы продуктов дробления горных пород и гравия. Используемые пески должны содержать пылевато-глинистых частиц не более 3 мас.%. Обычно используется природный песок с крупностью до 5 мм или дробленый песок марок 800 и 400, полученный дроблением горных пород или кристаллических металлургических шлаков, а также песок, получаемый из отходов обогащения руд черных и цветных металлов.

Минеральный порошок должен составлять 5-40 мас.%. Минеральный порошок получают помолом известняков, доломитов и других карбонатных пород с прочностью не менее 20 МПа и содержанием загрязняющих и глинистых примесей не более 5%. В качестве минерального порошка могут также применяться порошкообразные отходы промышленности - пыль уноса цементных заводов, золы ТЭЦ.

Битумное вяжущее, преимущественно нефтяные битумы марки 60-90, вводят в асфальтобетонную смесь в количестве 3-15 мас.% (сверх 100%) от массы всего минерального материала, включающего щебень, мелкий заполнитель и минеральный порошок. Битумы представляют собой органические вяжущие вещества, состоящие из высокомолекулярных углеводородов нафтенового, метанового и ароматического ряда, а также их кислородных, сернистых и азотистых производных.

Групповой состав битума:

1. Масла - молекулярная масса 300-500 а.е., содержание в битуме 40-60%.

2. Смолы - молекулярная масса 500-1000 а.е., содержание в битуме 20-40%.

3. Асфальтены - молекулярная масса 1000-5000 а.е., содержание в битуме 10-25%.

4. Карбены, карбоиды, нерастворимые в бензоле.

5. Асфальтогеновые кислоты - их содержание определяет интенсивность прилипания вяжущих к каменным материалам.

6. Парафины - ухудшают свойства битума, придавая ему хрупкость.

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют нефтяные дорожные вязкие и нефтяные дорожные жидкие битумы. Для горячих и теплых асфальтобетонных смесей I и II марок следует применять только битумы марок БНД, а для горячих и теплых асфальтобетонных смесей - III и IV марок.

Заявленная асфальтобетонная смесь содержит также армирующий волокнистый наполнитель, в состав которого входит ПАН волокно и углеродное волокно, при этом смесь содержит 0,1-0,15 мас.% ПАН фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала).

Преимущественно ПАН волокно вводится в асфальтобетонную смесь в виде ПАН фибры, представляющей собой смесь резаных мелкодисперсных ПАН волокон, получаемых способом, включающим

- химическую сополимеризацию мономеров - нитрила акриловой кислоты (НАК), метилакрилата (МА), итаконовой кислоты в растворе роданистого натрия в присутствии инициатора полимеризации парофора и регулятора роста цепи изопропилового спирта, с получением прядильного раствора сополимера;

- формование ПАН волокна из прядильного раствора и обработку сформованного волокна на прядильных агрегатах с получением волокна, имеющего заданные свойства;

- резку волокна на режущих установках барабанного типа с получением ПАН фибры с заданной длиной волокон.

Характеристики пригодной для использования при приготовлении асфальтобетона ПАН фибры показаны в таблице 1.

Содержание ПАН фибры в заявленной смеси составляет от 0,1 мас.% до 0,15 мас.% сверх 100% от массы минерального материала. Введение ПАН фибры в асфальтобетонную смесь менее нижнего граничного предела, составляющего 0,1 мас.%, не обеспечивает получения достаточного уровня свойств смеси и полученного из нее покрытия, а использование смесей с содержанием ПАН фибры более 0,15 мас.% может вызывать комкование ПАН фибры при ее введении в смесь. Использование ПАН волокна в качестве армирующего компонента связано с тем, что оно имеет оптимальное соотношение модуля упругости к удельному весу, при этом длина волокон ПАН фибры предпочтительно составляет от 6 до 12 мм.

В качестве углеродного волокна смесь может содержать мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм, со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна имеющего характеристики, показанные в таблице 2.

Углеродное волокно может вводиться в асфальтобетонную смесь в виде углеродной фибры, представляющей мелкодисперсное резаное углеродное волокно длиной от 4 до 18 мм, а также в виде отходов различных этапов производства углеродного волокна и композиционных материалов на его основе, дополнительно обеспечивая утилизацию указанных отходов.

Содержание углеродного волокна в асфальтобетонной смеси составляет от 0,01 до 0,15 мас.% сверх 100% от массы минерального материала. Введение углеродного волокна в асфальтобетонную смесь менее нижнего граничного предела, составляющего 0,01 мас.%, не обеспечивает получения достаточного уровня свойств смеси и полученного из нее покрытия, в частности не обеспечивает достаточной стойкости покрытия к образованию колеи. Использование смесей с содержанием углеродного волокна более 0,15 мас.% значительно удорожает стоимость асфальтобетонной смеси без существенного улучшения ее свойств.

Процесс приготовления асфальтобетонной смеси показан на следующих примерах осуществления изобретения.

Примеры осуществления

Приготовление смеси проиллюстрировано на примерах с использованием минерального материала, содержащего 46 мас.% щебня, 46 мас.% песка кварцевого и 8 мас.% минерального порошка при введении в смесь 4,5 мас.% битума (сверх 100% от минерального материала) при различных содержаниях армирующего наполнителя.

Для приготовления заявленной асфальтобетонной смеси пригоден общий способ, в котором дозированные количества нагретых щебня и песка подают в смеситель, после чего вводят армирующий волокнистый наполнитель, содержащий ПАН фибру и углеродное волокно, минеральный порошок, а затем - нагретый битум и осуществляют перемешивание до получения однородной смеси.

Но для получения более однородной смеси и более качественного распределения добавки из армирующего волокнистого наполнителя в объеме смеси оптимальным является предложенный способ смешивания, в котором сначала в смесителе проводят предварительное сухое смешивание минерального порошка и армирующего волокнистого наполнителя. Скорость смешивания, задаваемая частотой вращения вала мешалок смесителя, должна поддерживаться в диапазоне от 200 до 1500 об/мин, и в данных примерах она составляла около 1000 об/мин.

После этого предварительно полученную смесь минерального порошка и однородно распределенного в ней армирующего волокнистого наполнителя вводят в перемешиваемые нагретые щебень и мелкий заполнитель, а затем подают нагретый битум и проводят окончательное перемешивание до получения однородной асфальтобетонной смеси.

Показатели физико-механических характеристик покрытий, полученных из асфальтобетонной смеси согласно изобретению, содержащей 46 мас.% щебня, 46 мас.% песка кварцевого и 8 мас.% минерального порошка, при введении в смесь 4,5 мас.% битума (сверх 100% от минерального материала) и армирующего наполнителя с различным соотношением ПАН фибры и углеродного волокна показаны в таблице 3.

В таблице 3 приведены также требования к аналогичным смесям по ГОСТ 9128-97, а в качестве сравнительного примера приведены показатели для аналогичной асфальтобетонной смеси, содержащей только ПАН фибру.

Состав 1 содержал в качестве армирующего волокнистого наполнителя 0,045 мас.% ПАН фибры и 0,005 мас.% углеродной фибры (сверх 100% от минерального материала). Такое содержание в смеси ПАН фибры и углеродного волокна является более низким, чем заявленные в формуле изобретения граничные значения, и показатель скорости образования колеи для состава 1 составляет 0,65 мм/10000 проходов, что не обеспечивает требуемой устойчивости к образованию колеи.

Состав 2 содержал 0,1 мас.% ПАН фибры и 0,01 мас.% углеродной фибры (сверх 100%), что соответствует нижнему граничному значению заявленного содержания армирующего наполнителя. Средняя скорость образования колеи для состава 2 составляет 0,57 мм/10000 проходов, что значительно превосходит аналогичный показатель сравнительного примера.

Значительное снижение скорости образования колеи имеют также состав 3, содержащий 0,1 мас.% ПАН фибры и 0,1 мас.% углеродной фибры (сверх 100%), и состав 4, соответствующий верхнему граничному значению заявленного содержания армирующего наполнителя и содержащий 0,15 мас.% ПАН фибры и 0,15 мас.% углеродной фибры (сверх 100%). При этом свойства состава 5, в котором был использован армирующий наполнитель, содержащий 0,18 мас.% ПАН фибры и 0,01 мас.% углеродной фибры, что для ПАН фибры превышает заявленное граничное значение, не являются оптимальными.

Как видно из данных, приведенных в таблице 3, использование в композиции армирующего наполнителя сочетания ПАН фибры и углеродного волокна при содержании в смеси 0,1-0,15 мас.% ПАН фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала) позволяет получить общий высокий уровень свойств асфальтобетонного покрытия и снизить износ асфальтобетонного покрытия, приводящий к образованию колеи.

Использование предложенной смеси дополнительно позволяет управлять свойствами конечного асфальтобетона в зависимости от дозировки и соотношения ПАН фибры и углеродного волокна в смеси, при этом смеси с большим содержанием ПАН волокон в пределах заявленного интервала обеспечивают увеличение показателей предела прочности при сжатии, а увеличение содержания углеродных волокон в большей степени способствует стойкости к образованию колеи.

Состав предложенной асфальтобетонной смеси и способ ее получения согласно изобретению значительно повышают устойчивость к образованию колеи и обеспечивают получение асфальтобетонного покрытия, которое имеет показатель средней скорости образования колеи, измеренный при температуре 50°С и нагрузке 0,6 МПа, менее 0,60 мм/10000 проходов, что обеспечивает создание качественного и долговечного асфальтобетонного покрытия.