Результат интеллектуальной деятельности: Структурирующая добавка для асфальтобетонных смесей

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, а именно к добавкам для асфальтобетонных смесей, которые применяют при строительстве объектов транспортной инфраструктуры во всех климатических зонах.

Широко известно применение добавок в асфальтобетонных смесях.

Например, в патенте РФ № 2120922 «Активированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси», МПК C04B 26/26, C04B 20/10, опубл. 27.10.1998 заявлен состав активированного минерального порошка, предназначенного для использования в асфальтобетонной смеси, включающий минеральный материал карбонатных пород, второй жировой гудрон и органическую добавку, при этом в качестве органической добавки используют растворимую древесную смолу при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Минеральный материал: 97,8 – 98,2;

Второй жировой гудрон: 0,5 – 1,3;

Растворимая древесная смола: 0,9 – 1,3.

Однако, применение активированного минерального порошка по патенту РФ № 2120922 имеет недостаток, заключающийся в том, что при приготовлении асфальтобетона типа Г значительно снижается его водонасыщение и немного увеличивается предел прочности на сжатие при 50 °C, при этом коэффициент водостойкости существенно не снижается.

Также известен патент РФ № 2753763 «Применение кокса в качестве модификатора битума», МПК C08L 95/00, C08K 3/00, C04B 26/26, опубл. 23.08.2021, в котором описан способ изготовления, модифицированного битумного вяжущего для асфальтобетонных смесей, включающий введение в битум модификатора, в качестве которого используют прокаленный мелкодисперсный кокс с содержанием влаги не более 1 мас. %, при этом количество мелкодисперсного кокса в композиции составляет 7 – 14 мас. % от массы битума.

Недостатком известного способа является использование прокаленного при высокой температуре кокса, температура прокалки которого составляет 1500 – 1550 °С, что при ограничениях по влажности до 1 % требует больших энергетических затрат и, как следствие, ведёт к высокой стоимости продукта. Кроме того, при смешении прокаленного нефтяного кокса с нефтяным битумом или иным битумным вяжущим, получаемая смесь очень нестабильна – в течении короткого промежутка времени прокаленный нефтяной кокс оседает на дно. При использовании такой смеси при производстве асфальтобетонных смесей неизбежен риск оседания прокаленного нефтяного кокса на стенках нагревательных тэнов, на дне рабочих ёмкостей для битумных вяжущих и системы битумопроводов асфальтобетонного завода, что может приводить к неисправностям и выходу из строя системы битумопроводов и рабочих ёмкостей асфальтобетонного завода.

Также известно изобретение по патенту РФ № 2754902 «Нефтяной кокс для асфальтобетонной смеси», выбранное в качестве прототипа, МПК C04B 26/26, C08L 95/00, C08K 3/04, опубл. 08.09.2021. В этом патенте описан нефтяной кокс, предназначенный для использования в асфальтобетонной смеси, который состоит из механоактивированного при температуре 30 – 70 °С коксового порошка с размерами частиц 1 – 5 мкм.

Исходя из описания патента № 2754902 можно сделать вывод о том, что заявленное техническое решение обеспечивает физико-механические характеристики при содержании коксового порошка в асфальтобетонной смеси 8 % от общей массы, при этом размеры частиц находятся в интервале от 1 до 5 мкм. Указанные в описании показатели подтверждают повышение основных характеристик асфальтобетонной смеси при использовании коксового порошка по сравнению с аналогом. Таким образом, преимуществами известного технического решения являются:

1. Существенное улучшение физико-механических показателей: значения пределов прочности при 20 °С улучшились с 4,3 МПа до 4,6 МПа, а при 50 °С – с 1,5 МПа до 1,7 МПа.

2. Улучшение показателя водонасыщения: при использовании коксового порошка показатель водонасыщения составил 1,5 %, что значительно превосходит показатель по аналогу, равный 3,6 %.

При этом, недостатком известного технического решения является нецелесообразное значение дисперсности не только с технологической, но и с экономической точек зрения, так как получение при помоле нефтяного кокса частиц размером 1 – 5 мкм в промышленных масштабах требует сложного технологического процесса, а также существенных капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, для измерения и контроля размера частиц требуется применение специального сложного дорогостоящего оборудования, которым обычно не оснащены строительные лаборатории предприятий, занимающиеся выпуском и контролем качества асфальтобетонных смесей.

По патентам на изобретения РФ № 2753763 и № 2754902 был выявлен общий недостаток обоих технических решений, состоящий в том, что к минеральному порошку для асфальтобетонных смесей предъявляются совершенно определенные требования к его физико-механическим показателям, в том числе к гранулометрическому составу, который в обязательном порядке учитывается при проектировании гранулометрической кривой, которая четко ограничена предельными значения нормативной документации на все асфальтобетонные смеси. Контроль состава асфальтобетонной смеси (количество вяжущего и гранулометрический состав) при её производстве является обязательным, при этом подтвердить использование такой формы нефтяного кокса стандартными методами испытаний невозможно, так как при использовании метода выжигания вяжущего практически весь прокаленный нефтяной кокс выгорает, а при использовании метода экстрагирования вяжущего, вымывается в смеси растворителя с вяжущим не оседая в камере с минеральным порошком. Таким образом, при определении состава смеси значение показателя содержание вяжущего будет всегда завышено, а гранулометрический состав искажен.

Решаемой технической проблемой заявляемого технического решения является нецелесообразное значения дисперсности нефтяного кокса, так как при помоле нефтяного кокса частиц размером 1 – 5 мкм в промышленных масштабах требуется применение сложного оборудования и технологического процесса, а также существенных капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, для измерения и контроля размера частиц также требуется применение сложного дорогостоящего измерительного оборудования, которым не оснащены строительные лаборатории предприятий, занимающиеся выпуском и контролем качества асфальтобетонных смесей.

Техническим результатом заявляемого технического решения является возможность замены при производстве асфальтобетонных смесей битумного вяжущего структурирующей добавкой при одновременном улучшении эксплуатационных показателей получаемого асфальтобетона, таких как коэффициент водостойкости и устойчивость к колееобразованию без ухудшения трещиностойкости, а также снижение себестоимости изготовления как асфальтобетона, так и структурирующей добавки.

Указанный технический результат достигается за счёт применения структурирующей добавки для асфальтобетонных смесей, состоящей из непрокалённого нефтяного кокса с содержанием частиц мельче 2 мм – 100 % и содержанием частиц мельче 0,063 мм не менее 55 %.

Поскольку структурирующая добавка включает частицы такого размера, то возможно оценить гранулометрический зерновой состав асфальтобетонной смеси и её стабильность стандартным ситовым методом. При этом, структурирующая добавка для асфальтобетонных смесей, состоящая из непрокалённого нефтяного кокса с содержанием частиц мельче 2 мм – 100 % и содержанием частиц мельче 0,063 мм не менее 55 %, за счёт родственности химических структур со связующим максимально совместима с другими компонентами асфальтобетонной смеси на молекулярном уровне с образованием единой матрицы, что приводит к улучшению целого ряда физико-механических её свойств.

Для сравнения заявляемая структурирующая добавка была опробована в составе горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона тип Б марки I по ГОСТ 9128-2009. В первом случае асфальтобетонная смесь приготавливалась на битуме нефтяном дорожном вязком марки БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014, а во втором случае на битуме нефтяном дорожном вязком марки БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014 с использованием структурирующей добавки для асфальтобетонных смесей, состоящей из непрокалённого нефтяного кокса с содержанием частиц мельче 2 мм -100 % и содержанием частиц мельче 0,063 мм не менее 55 %, в количестве 10 % от массы вяжущего.

Результаты испытаний представлены в Таблице 1.

В результате испытаний было установлено, что использование заявляемой структурирующей добавки для асфальтобетонных смесей в составе горячей плотной асфальтобетонной смеси тип Б марки I существенно увеличило её стойкость к пластическим деформациям – снижение средней глубины колеи на 40 %, увеличило водостойкость на 5 %, в том числе водостойкость при длительном водонасыщении – на 9 %. При этом низкотемпературные показатели, такие как прочность при 0 °С и трещиностойкость не ухудшились.

Заявляемая структурирующая добавка также была опробована в составе асфальтобетона А16Вн по ГОСТ Р 58406.2-2020.

В первом случае асфальтобетонная смесь так же приготавливалась на битуме нефтяном дорожном вязком марки БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014, а во втором случае также на битуме нефтяном дорожном вязком марки БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014 с использованием заявляемой структурирующей добавки для асфальтобетонных смесей в количестве 10 % от массы вяжущего.

Результаты представлены в Таблице 2.

Было установлено, что использование заявляемой структурирующей добавки для асфальтобетонных смесей в составе асфальтобетона А16Вн существенно увеличило его стойкость к пластическим деформациям (снижение средней глубины колеи на 25 %), увеличило коэффициент водостойкости на 4 %, в том числе коэффициент длительной водостойкости на 7,7 %. При этом все остальные свойства асфальтобетона А16Вн существенно не изменились.

Таким образом, проведённые испытания подтвердили, что использование структурирующей добавки, состоящей из непрокаленного нефтяного кокса с содержанием частиц мельче 2 мм – 100 % и содержанием частиц мельче 0,063 мм не менее 55 %, в составе асфальтобетонов позволяет:

- заместить этой добавкой до 10 % битумного вяжущего;

- повысить стойкость асфальтобетона к пластическим деформациям при повышенных температурах его эксплуатации;

- повысить водостойкость асфальтобетона, в том числе длительную, то есть коррозионную стойкость;

- увеличить долговечность и надолго сохранить эксплуатационные свойства дорожного покрытия.

Таким образом, был достигнут заявленный технический результат, а именно структурирующая добавка для асфальтобетонных смесей, состоящая из непрокалённого нефтяного кокса с содержанием частиц мельче 2 мм – 100 % и содержанием частиц мельче 0,063 мм не менее 55 % позволяет заменить ею до 10 % битумного вяжущего, при этом улучшаются показатели асфальтобетона такие, как коэффициент водостойкости и устойчивость к колееобразованию, а также снижается себестоимость изготовления асфальтобетонной смеси и самой структурирующей добавки.

Кроме того, возможно состав структурирующей добавки позволяет оценить гранулометрический зерновой состав асфальтобетонной смеси и определить её стабильность стандартными методами.