Результат интеллектуальной деятельности: СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ДОБАВКА ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА

Изобретение относится к области дорожного строительства, а именно к стабилизирующим добавкам, которые используются при приготовлении щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Из уровня техники известно, что при производстве щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) необходимо вводить в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь стабилизирующую добавку для предотвращения стекания излишков битума.

Известно (ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия), что в качестве стабилизирующей добавки применяют целлюлозное волокно или специальные гранулы на его основе, которые должны соответствовать требованиям технической документации предприятия-изготовителя. Обоснование пригодности применения стабилизирующей добавки для приготовления щебеночно-мастичного асфальтобетона, а также оптимального ее содержания в смеси устанавливают путем проведения испытаний ЩМА по ГОСТ 12801-98 и ГОСТ 31015-2002.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату, принятым за прототип является импортная волокнистая добавка «VIATOP-66» (СТО 5718-001-87252612-2015), состоящая из гранулированных волокон целлюлозы и связующего в виде органического материала на основе битума. Недостатком этой стабилизирующей добавки является получение щебеночно-мастичного асфальтобетона на ее основе, обладающего низкими прочностными характеристиками, трещиностойкостью, сдвигоустойчивостью, а также высоким водонасыщением и показателем стекания вяжущего.

Задача изобретения состоит в создании стабилизирующей добавки на основе целлюлозно-бумажных отходов (ЦБО), использование которой будет способствовать получению щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМАС) с высокими пределом прочности при сжатии при 50°С и при 20°С, трещиностойкостью, сдвигоустойчивостью, а также низким водонасыщением и показателем стекания вяжущего.

Это достигается тем, что Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона, включающая структурообразователь в виде волокон из целлюлозно-бумажных отходов и связующее, отличающаяся тем, что целлюлозно-бумажные отходы дополнительно измельчены до удельной поверхности 500 м²/кг с одновременным распушиванием, а в качестве связующего используется смесь катионной битумной эмульсии 2 класса и отработанного синтетического машинного масла при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Характеристика материалов:

- структурообразователь в виде волокон из целлюлозно-бумажных отходов, физико-механические свойства которых соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002;

- связующее:

- катионная битумная эмульсия 2 класса, соответствующая ГОСТ 52128-2003;

- отработанное синтетическое машинное масло, физико-механические свойства исходного синтетического машинного масла соответствуют ГОСТ 13076-86.

Синтетическое машинное масло, согласно ГОСТ 13076-86, также как и его отработка (отработанное синтетическое машинное масло), используемое в качестве составной части связующего может отличаться по ряду физико-механических характеристик: кинематической вязкости, температуре застывания, температуре вспышки, кислотному числу, содержанию водорастворимых кислот и щелочей, содержанию воды, содержанию механических примесей, плотности при 20°С, зольности, трибологическим характеристикам, термоокислительной стабильности при 175°С, внешнему виду. При этом все выше представленные характеристики являются технологическими свойствами данного материала. Их изменение не способно оказать влияние на химические свойства стабилизирующей добавки и физико-механические характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона. Хемосорбционные процессы и молекулярно-поверхностные явления, связанные с адсорбцией битума на поверхности стабилизирующей добавки, приготовленной с использованием синтетического отработанного машинного масла в сочетании с катионной битумной эмульсии 2 класса разработанного состава связаны с тем, что синтетическое машинное масло содержит базовые масла на основе синтетики, а также присадки, придающие ему полезные свойства (повышенную износостойкость, коррозионную стойкость). Хемосорбционные процессы возможны при содержании любых базовых масел в составе используемого отработанного синтетического машинного масла. Использование отработанного синтетического машинного масла связано с экономической выгодой, так как является отходом.

Катионная битумная эмульсия 2 класс по ГОСТ 52128-2003 может иметь различные характеристики. Однако диапазон этих изменений очень мал и не способен оказать существенного влияния на технологию получения предлагаемой стабилизирующей добавки и свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона с ее использованием. Использование эмульсии катионного типа обусловлено тем, что целлюлозно-бумажные отходы имеют отрицательный заряд на своей поверхности. Именно эмульсии катионного типа, имеющие положительный заряд своей функциональной группы, будут активно вступать во взаимодействие с отрицательно заряженной поверхностью волокон целлюлозно-бумажных отходов.

Для экспериментального определения рационального состава стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона были разработаны и исследованы 5 различных составов стабилизирующей добавки, которые представлены в табл. 1.

Стабилизирующую добавку составов №1 - №5 готовили следующим образом. Подготовку ЦБО проводили по двухстадийной технологии измельчения. На первом этапе сырье дробили в шредере на части размером 20-40 мм, на втором этапе доизмельчали с одновременным распушиванием в роторно-камерной дробилке производительностью 150 кг/ч до удельной поверхности 500 м²/кг. Подготовку связующего осуществляли путем смешивания катионной битумной эмульсии 2 класса и отработанного синтетического машинного масла в соотношении 3:2 в лопастной мешалке в течение 10 минут при комнатной температуре. Затем в предварительно подготовленные ЦБО вводили полученное связующее и перемешивали до однородного состояния в течение 20-30 минут. Полученную смесь гранулировали с помощью пресс-гранулятора.

Пример.

С целью изучения влияния состава стабилизирующей добавки на физико-механические характеристики ЩМА были произведены испытания образцов, приготовленных из щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси с использованием разработанных составов (№1-№5) стабилизирующей добавки. При этом использовали следующие материалы:

- гранитный щебень, соответствующий требованиям ГОСТ 8267-93 и ГОСТ 3344-83;

- песок из отсева дробления гранита, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-2010;

- известняковый порошок МП-1, соответствующий требованиям ГОСТ 52129-2003;

- вяжущее - битум вязкий нефтяной дорожный марки БНД 60/90, соответствующий ГОСТ 22245-90.

Обоснование пригодности стабилизирующей добавки и оптимального ее содержания в смеси устанавливали по физико-механическим характеристикам щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА-15) в соответствии с требованиями ГОСТ 31015-2002.

Испытания образцов ЩМА проводились согласно ГОСТ 12801-98.

Проектирование гранулометрического состава щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, осуществляли по методике, принятой согласно ГОСТ 9128-2013.

Расход материалов для приготовления щебеночно-мастичного асфальтобетона представлен в табл. 2.

Было приготовлено 5 смесей щебеночно-мастичного асфальтобетона одинакового состава, отличающиеся между собой составами разработанной стабилизирующей добавки и одна смесь с использованием стабилизирующей добавки принятой за прототип (VIATOP-66).

В смеситель подавали предварительно высушенные и нагретые гранитный щебень фракции 5-10 мм - 2573,02 гр.; 10-15 мм - 6621,60 гр. и песок из отсевов дробления гранита - 2563,20 гр. Затем происходила подача известнякового порошка в количестве 1566,40 гр. и 61,23 гр. стабилизирующей добавки без предварительного нагрева. В смесителе производили «сухое» перемешивание горячих гранитного щебня и песка из отсевов дробления гранита с холодным известняковым порошком и стабилизирующей добавкой. Далее происходила подготовка битума в количестве 854,40 гр. (разогрев, выпаривание содержащейся в нем влаги и нагрев до рабочей температуры 140°С). Затем перемешивали все составляющие с битумом и приготавливали образцы асфальтобетона согласно ГОСТ 9128-2013. Масса одной партии щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси составляет 14240,00 гр.

Результаты испытаний полученных образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона с применением стабилизирующей добавки приведены в табл. 3.

Результаты испытаний показали, что щебеночно-мастичный асфальтобетон с использованием разработанной стабилизирующей добавкой соответствует требованиям ГОСТ 31015-2002, все физико-механические характеристики ЩМА-15 со стабилизирующей добавкой состава №3 выше физико-механических характеристик прототипа.

По полученным результатам показателя стекания можно судить о том, что стабилизирующая добавка легко и быстро распределяется в смеси щебеночно-мастичного асфальтобетона, предотвращая стекание вяжущего с поверхности каменного материала, что предотвращает ее расслаивание при хранении и транспортировании.

Хемосорбционные процессы и молекулярно-поверхностные явления, связанные с адсорбцией битума на поверхности стабилизирующей добавки, приготовленной с использованием синтетического отработанного машинного масла в сочетании с катионной битумной эмульсии 2 класса разработанного состава, изменяют структуру пограничных слоев битума при приготовлении щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и влияют на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона, повышая его прочность, трещиностойкость, сдвигоустойчивость, а также снижая показатель стекания вяжущего и водонасыщение.

Из таблицы видно, что использование стабилизирующей добавки (состава №3) позволяет получить щебеночно-мастичный асфальтобетон на ее основе с оптимальным сочетанием физико-механических характеристик.

Использование в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона стабилизирующей добавки состава №1 приводит к повышению водонасыщения до 4,01%, что связано с неудовлетворительным показателям сдвигоустойчивости, а также повышению показателя стекания до верхней границы значений ГОСТ 31015-2002.

Использование в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона стабилизирующей добавки состава №2 удовлетворяют требованиям ГОСТ 31015-2002 по всем показателям, кроме коэффициента внутреннего трения асфальтобетона. Следует отметить, что такое соотношение связующего в составе стабилизирующей добавки делает данный состав менее пластичным.

Использование в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона стабилизирующей добавки состава №3 способствует получить образцы асфальтобетона с высокой сдвигоустойчивостью, а именно: предел прочности при 20°С увеличился на 17%, предел прочности при 50°С на 38%, трещиностойкость при 0°С на 9%, водонасыщение на 13%. Отсюда можно сделать вывод, что оптимальное соотношение связующего - 3 части катионной битумной эмульсии 2 класса и 2 части отработанного синтетического машинного масла, а именно 9% и 6% соответственно.

Использование в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона стабилизирующей добавки состава №4 делает его более пластичным, что способствует уменьшению прочностных характеристик, а также сдвигоустойчивости.

Использование ЦБО в количестве 90% в составе разработанной стабилизирующей добавки состава №5 приводит к снижению водонасыщения, не превышающего 1,3%. Если стабилизирующая добавка будет содержать в своем составе 6% битумной катионной эмульсии 2 класса и отработанного синтетического машинного масла в количестве 4% (состав №5), то щебеночно-мастичный асфальтобетон с использованием данного состава не будет удовлетворять требованиям ГОСТ 31015-2002 по коэффициенту внутреннего трения и показателю сцепления при сдвиге, которые относятся к свойствам щебеночно-мастичного асфальтобетона, характеризующие его сдвигоустойчивость. Так же данное соотношение связующего в составе №5 приводит к снижению показателя стекания вяжущего до нижней границы, что будет отрицательно сказываться при транспортировке ЩМАС. Также при перемешивании смеси во время приготовления щебеночно-мастичного асфальтобетона стабилизирующая добавка растирается в пыль, то при высоком содержании целлюлозно-бумажных отходов происходит комкование и неравномерное распределение добавки в смеси, ухудшая ее структурирующие влияние на битум.

Применение в качестве структурообразователя целлюлозно-бумажных отходов, занимающих большие площади во всех областях страны, значительно снижает стоимость стабилизирующей добавки, производство которой будет способствовать улучшению экологической обстановки в стране, что является целесообразным в большинстве регионов. А использование в качестве связующего отработанного синтетического машинного масла в сочетании с катионной битумной эмульсией 2 класса уменьшает себестоимость производства стабилизирующей добавки.