Результат интеллектуальной деятельности: Состав фибросодержащей асфальтобетонной смеси для покрытий

Изобретение относится к сфере дорожно-строительных смесей и может быть использовано для создания современных асфальтобетонных материалов для устройства дорог.

Асфальтобетонные смеси в зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке покрытия на дороге подразделяют на горячие и холодные. Интерес для данного патентуемого решения представляют холодные смеси, приготавливаемые с использованием нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не ниже +5°С, так как они значительно дешевле остальных смесей и применяются в широком диапазоне климатических и географических широт практически круглый год, за исключением 2-3 месяцев самого холодного сезонного периода в зависимости от региона применения асфальтобетонных смесей.

Важными составляющими частями любой асфальтобетонной смеси являются: состав группы наполнителей, которая содержит, как правило – щебень, песок, минеральный порошок (RU №2560364, RU №2351561, RU №2310621, RU № 2182136, RU №2351703, авторское свидетельство СССР №707945), а также состав группы вяжущего. Причём описываемые ниже как наполнители, так и вяжущие аналогов в данном описании входят в смесь горячими.

Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий известны вяжущие, представленные одним видом битума: см. ГОСТы, а также ряд изобретений из названных выше патентных документов (RU №2310621, RU № 2182136, RU №2351703, авторское свидетельство СССР №707945) и д.р.

Известны составные вяжущие в асфальтобетонных смесях, в которые входят жидкие или вязкие битумы с различными модифицирующими добавками - моторное масло (патенты: RU № 2623748, RU № 2625353), нефтяной шлам (патент RU № 2535325), стабилизированное вяжущее, содержащее наряду с эпоксидной смолой полиэтиленполиамин, дивинилстерольный термопласт и талловое масло (патент RU №2647740). Такие добавки вводятся в битум для корректировки не только его свойств, но и будущего дорожного покрытия, а именно расширения температурного интервала работоспособности асфальтобетонного покрытия, понижения хрупкости, повышения параметров трещиностойкости или препятствия к образованию колеи.

Недостатками представленных выше смесей является не просто увеличивающееся количество компонентов, но и необходимость использования специального оборудования для их соединения с учетом сложных свойств некоторых из них. Как следствие, увеличение трудозатрат влечёт добавление стоимости изготавливаемой смеси.

Особый интерес представляют составы для асфальтобетонного покрытия с волокнистыми наполнителями, которые позволяют получить армированные асфальтобетоны, обладающие повышенной устойчивостью в отношении образования деформаций.

Известно использование в составе смеси для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN 101081725) волокнистого наполнителя, представляющего собой полиакрилонитрильное волокно (ПАН-волокно) 1,5-2,5 децитекс длиной 6 мм, добавляемого в количестве 0,2-0,3% от массы смеси на основе известняковой руды и шлака.

Известен также состав смеси для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN 1908069), включающий минеральный наполнитель на основе известняка и битума. Состав дополнительно содержит 0,1-0,5% полого или пористого полимерного волокна с особой сложной формой поперечного сечения. Полимерное волокно представлено волокном на основе сложного полиэфира, ПАН-волокном или композициями из этих волокон.

Однако формирование сложной формы поперечного сечения волокна дополнительно удорожает процесс получения асфальтобетонной смеси без заметного улучшения свойств покрытия.

Известен также состав фибродобавки в асфальтобетонную смесь (патент CN 101798196), содержащий группу волокон: 15-35% волокон на основе сложного полиэфира, 35-55% древесного волокна, 15-35% ПАН-волокна и 15-35% нейлонового волокна. Общее содержание армирующей добавки составляет 0,3-0,6% от массы смеси.

Однако используемая в вышеописанном патентном документе 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 фибродобавки смешанного состава становится невозможным либо малоэффективным.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является состав асфальтобетонной не содержащей воды смеси (патент RU 2465231), который содержит щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень - 30-70, мелкий заполнитель - 10-65, минеральный порошок - 5-40, битумное вяжущее - 3-15 (сверх 100% от минерального материала), ПАН-фибра - 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала) и углеродное волокно - 0,01-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала). В качестве углеродного волокна смесь содержит мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм и со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна.

Однако слабое адгезионное взаимодействие, как оказалось, на границе раздела волокна и битума из-за отсутствия химических связей связующего с наполнителем не всегда приводит к ожидаемому повышению прочностных характеристик асфальтобетонной смеси.

Задачей заявляемого изобретения является получение холодной смеси с повышенной сдвигоустойчивостью, водостойкостью, трещиностойкостью и пределом прочности для создания прочного асфальтобетонного покрытия с учётом природно-климатических факторов и воздействия статических и динамических транспортных нагрузок.

Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что состав фибросодержащей асфальтобетонной смеси для покрытий включает горячие - нагретые до температуры 140-180°С щебень, песок, минеральный порошок, вяжущее с температурой 110-160°С и полиакрилонитрильное волокно, %:

при этом органическое вяжущее - составное из двух видов битумов

нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси:

Технический результат заявляемого изобретения.

Применение горячего вяжущего в виде пары битумов нефтяных дорожных вязких: одной из марок: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок БНД 200/300, БНД 130/200, причём в сочетании с армирующим материалом - ПАН-волокном с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм является отличительной особенностью предложенного состава смеси. Сочетание любой из составленных Заявителем пар битумов, представленных выше, с ПАН-волокном одновременно, причём названного вида его плотности и нарезки, не известно. Набор всех компонентов заявляемой асфальтобетонной смеси, в том числе нагретых до 140-180°С щебня, песка и минерального порошка, среди наборов компонентов смесей, описанных в литературе и применяемых в промышленности, в заявляемых диапазонах концентраций также ранее не описывался и не применялся.

Именно перечисленные отличия заявляемой смеси обеспечивают решение поставленной в изобретении задачи. В этом заключается технический результат заявляемого решения.

Последующее изложение материала изобретения показано с использованием таблиц 1.1; 1.2; 1.3; 2, демонстрирующих физико-механические показатели фибросодержащего асфальтобетона с добавлением и без добавления ПАН-волокна, а именно в таблице 1.1 - показатель предела прочности при сжатии при температуре 50°С в МПа, в таблице 1.2 - показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения в МПа, таблице 1.3 - сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С в МПа, в таблице 2 - сравнение вышеназванных показателей для различных составов смеси за счет меняющегося состава вяжущего и фиброволокна.

Проведенные Заявителем исследования по подбору оптимальных количеств входящих в вяжущее битумов и сравнению с существующими композициями вяжущего показали преимущества заявляемого вяжущего в асфальтобетонной смеси. Любая из отобранных пар битумов с разными пенетрациями битумов в паре, эмпирически подобранных Заявителем, марок: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок БНД 200/300, БНД 130/200, как оказалось, оптимально решает задачу смачивания и образования битумной плёнки на поверхности минеральных элементов и ПАН-волокон в объёме фибросодержащей асфальтобетонной смеси. Вследствие этого устраняется и проблема образования комков в смеси, что было стойким браком при применении не оптимально подобранных длин частиц фиброволокна и обычных, неподготовленных специальной обработкой фиброматериалов, например, без вспушивания волокон.

Выбор армирующего ПАН-волокна осуществлен по пути нахождения оптимально требуемой плотности и размера волокон, не образующих комков из путающихся нитей, а равномерно распределяющихся по слоям асфальтобетонной смеси. По результатам исследований композиционных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием ПАН-волокна, можно сделать вывод, что с увеличением длины нарезки ПАН-волокна, превышающей выше рекомендуемые Заявителем размеры, качество смеси ухудшалось. Например, при длине нарезки, приближающейся к 19 мм, в смеси уже замечались комочки, что вызывало ухудшение качества смеси. С уменьшением длины нарезки от 6мм и меньше – не проявлялось улучшение свойств. Оптимальными для обеспечения качества смеси оказалось ПАН-волокно плотностью 0,17 - 0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм. Вследствие этого достигалась полная гармония и совместимость ПАН-фибры с другими компонентами смеси, с горячим битумом в частности, и её более равномерное и однородное распределение между горячими (до 140-180°С) минеральными компонентами смеси с последующим повышением показателей предела прочности и сдвигоустойчивости (таблицы 1.1, 1.2, 1.3).

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Таблица 1.3

В ходе испытаний заявляемого технического результата в ниже описанном примере была приготовлена асфальтобетонная смесь, в которой в качестве материалов использовались:

- щебень гранитный Потаповского карьера Ростовской области и известняковый щебень Жигулёвского карьера Самарской области фракций от 5 мм до 10 мм, св. 10 мм до 15 мм, св. 15 мм до 20 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 9128-2013, ГОСТ 31015-2002;

- известняковый минеральный порошок Озинского завода Саратовской области, соответствующий требованиям ГОСТ Р 52129-2003;

- речной песок производства ОАО «Саратовское речное транспортное предприятие»», соответствующий требованиям ГОСТ 8735-88, ГОСТ 8736 – 2014, ГОСТ 9128;

- битумы Саратовского нефтеперерабатывающего завода, относящиеся к вязким нефтяным дорожным битумам марок БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60, БНД 200/300, БНД 130/200, соответствующие требованиям ГОСТ;

- ПАН-волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм.

Состав асфальтобетонной смеси компонентов в примере включал:

щебень – 48,5%;

песок – 40,7%;

минеральный порошок – 5,1%;

вязкий битум БНД 60/90 – 4,95%

вязкий битум БНД 130/200 - 0,55 %;

ПАН-волокно– 0,2%.

Таблица 2 демонстрирует сравнительные характеристики смеси с вышеназванным составом и эталонными:

- без добавления фиброволокна;

- с добавлением ПАН-волокна и всего одним видом битума марки БНД 60/90;

- с добавлением ПАН-волокна с оптимальной длиной нарезки 12 мм и плотностью 0,56 текс и вяжущего, состоящего из пары битумов марок БНД 60/90 и БНД 130/200 разной пенетрации.

Таблица 2

Из таблицы 2 видно, что показатель трещиностойкости асфальтобетона увеличивается в среднем на 32%, сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50°С увеличивается на 77%, сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения увеличивается на 16%, коэффициент водостойкости увеличивается на 5%, предел прочности на сжатие увеличивается примерно на 94,5% в сравнении с фибросодержащими асфальтобетонными смесями с применением только одного из известных видов битумов.

Для обработки фиброволокна применяли разработанный в Поволжском учебно-исследовательском центре «ВОЛГОДОРТРАНС» ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» опытный образец установки для производства композиционных фибросодержащих асфальтобетонных смесей, которая позволяет подготовить волокнистые материалы (базальтовая, полиакрилонитрильная и др. виды фиброволокна) для введения их в состав асфальтобетонных смесей с целью армирования, увеличения показателей физико-механических свойств и долговечности дорожных покрытий. В состав установки входит устройство для вспушения (расщепления) фиброволокна и устройство для его вдувания в смеситель асфальтобетонного завода.