асфальтобетонная смесь и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. Асфальтобетонная смесь, включающая в качестве минеральных заполнителей песок и щебень, а в качестве связующего - дорожный битум, отличающаяся тем, что в качестве заполнителей применяются песок и щебень из кислого литого доменного шлака в количестве, обеспечивающем максимально плотную упаковку зерен минеральной смеси, в качестве наполнителя и структурирующего компонента она содержит шлам химводоочистки ТЭЦ, состоящий преимущественно из оксидов СаО 48÷52%, а также: MgO 1,5÷6,5%; SiO ₂ 1,8÷2,6%; Al₂О₃ 2÷3,2%; Fe₂О₃ 1÷2,4%; R₂O 0,4÷0,6%; S_об 1,5÷2,5%; п.п.п. 36÷42%, и в качестве гидрофобно-пластифицирующей и структурирующей добавки - кремнийорганическую жидкость ГКЖ-11 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной битум	6 (сверх 100% минеральной части смеси),
Шлам химводоочистки ТЭЦ	4÷8,
ГКЖ-11	0,04÷0,17 (сверх 100% минеральной части смеси),
Шлаковый щебень фр. 5÷20 мм	31,
Шлаковый песок фр. 0÷5 мм	61,0÷65,0

2. Асфальтобетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве пластификатора может применяться 10÷15%-ный раствор в органических растворителях ГКЖ-10,11 или 50%-ная водная эмульсия ГКЖ-94.

3. Способ изготовления асфальтобетонной смеси по любому из пп.1 и 2, включающий весовую дозировку, разогрев до 90÷110°С и перемешивание в быстроходном смесителе компонентов минеральной смеси с последующим введением разогретого до температуры 140÷160°С битума, отличающийся тем, что шлам химводоочистки ТЭЦ в виде пульпы предварительно смешивается с активатором ГКЖ, а затем вводится в заполнители, которые отсасывают из него влагу, после чего эта влага испаряется при нагревании заполнителей, в полученную минеральную смесь с активированным наполнителем вводится битум и смесь перемешивается до однородности.

4. Способ изготовления асфальтобетонной смеси по п.3, отличающийся тем, что шлам химводоочистки ТЭЦ смешивается до однородности с добавкой ГКЖ для его активации, высушивается в распылительной сушилке, а затем вводится в разогретый битум для получения наполненного асфальтового связующего, после чего оно смешивается с разогретыми до 90÷110°С шлаковыми заполнителями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано при устройстве верхних слоев покрытий городских и проселочных дорог. При строительстве автомобильных дорог в настоящее время применяются асфальтобетонные смеси, изготовляемые в соответствии с ГОСТ 9128-97 [1]. Известна асфальтобетонная смесь (а.с. №1209650 [2]), включающая битум, электросталеплавильный шлак, отход производства поливинилхлорида - обезвоженная сажесмоляная пульпа и отходы дробленого литого шлакового щебня.

Недостатком этой асфальтобетонной смеси является пониженный коэффициент водостойкости и прочность при 20°С и 50°С, а также использование в качестве структурирующей добавки отходов производства поливинилхлорида, включающих вредные химические вещества (бензол, дихлорэтан, нафталин, высокомолекулярный продукт), загрязняющие окружающую среду при сушке и требующие повышенных энергозатрат на сушку.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является асфальтобетонная смесь (а.с. №2119465 [3]), включающая в мас.%:

- нефтяной вязкий битум 5...6,5,

- масляный раствор синтетического высокомолекулярного полибутадиенового каучука, модифицированного СВБ-М 0,15...0,30,

- шлам химводоочистки ТЭЦ 2...4,

- известняковый щебень фр. 5...20-25...35,

- минеральный порошок - 1...3.

Недостатком этого изобретения также является низкая прочность при сжатии при температуре 20°С и 50°С, пониженный коэффициент водостойкости. Кроме того, используемый в качестве модификатора высокомолекулярный полибутадиеновый каучук, содержащий 30...80% винильных звеньев и полибутадиена, также является вредным с точки зрения экологии, дорогостоящим и дефицитным. Шлам химводоочистки ТЭЦ, по известному изобретению, предлагается высушивать, что требует дополнительных энергозатрат на сушку, так как, будучи тонкодисперсным, он трудно отдает влагу и его содержание в известном составе не превышает 4%, что недостаточно для заполнения пустот в пористых шлаковых заполнителях.

Сущность изобретения заключается в том, что асфальтобетонная смесь, включающая песок, щебень и дорожный битум, в качестве заполнителей содержит песок и щебень из кислого литого доменного шлака, устойчивого ко всем видам самораспада, а в качестве наполнителя и структурирующего компонента она содержит шлам химводоочистки ТЭЦ и в качестве гидрофобно-пластифицирующей и структурирующей добавки - кремнийорганическую жидкость ГКЖ-11 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- нефтяной битум - 6 (сверх 100% минеральной части смеси),

- шлам химводоочистки - 4...8,

- ГКЖ-11 - 0,04...0,17,

- шлаковые заполнители - остальное.

Для обеспечения максимально плотной упаковки зерен минеральной смеси смесь содержит шлакового песка из литого доменного шлака фр. 0...5 мм - 61...65%, щебня из того же шлака фр. 5...20 мм - 31% и шлам химводоочиски ТЭЦ-4...8%.

В качестве пластификатора может применяться 10...15%-ный раствор в органических растворителях ГКЖ-10, 11 или 50-ти процентная водная эмульсия ГКЖ-94.

При изготовлении асфальтобетонной смеси, включающем весовую дозировку, разогрев до 90...110°С и перемешивание в быстроходном смесителе компонентов минеральной смеси с последующим введением разогретого до температуры 140...160°С битума, шлам химводоочистки ТЭЦ в виде пульпы предварительно смешивается с активатором ГКЖ, а затем вводится в заполнители, которые отсасывают из него влагу, после чего эта влага испаряется при нагревании заполнителей. В полученную минеральную смесь с активированным наполнителем вводится битум, и смесь перемешивается до однородности.

Для повышения прочности асфальтобетона при 20 и при 50°С, а также для уменьшения расхода битумного связующего рекомендуется применять интенсивную раздельную технологию. При этом шлам химводоочистки ТЭЦ смешивается до однородности с добавкой ГКЖ для его активации, высушивается в распылительной сушилке, а затем вводится в разогретый битум для получения наполненного асфальтового связующего, после чего это связующее смешивается с разогретыми до 90...110°С шлаковыми заполнителями.

Заполнители из доменного литого шлакового щебня - это кислые или близкие к нейтральным шлаки доменного производства, устойчивые против всех видов самораспада, практически полностью закристаллизованные за счет медленного охлаждения в шлаковых траншеях, - имеют развитую поверхность зерен, что способствует повышению сцепления с битумным связующим за счет затекания его в поры заполнителя и повышает плотность и прочность асфальтобетона. Шероховатая поверхность шлаковых заполнителей обеспечивает лучшее сцепление колес с дорожным покрытием, что улучшает коэффициент сцепления даже при мокром покрытии дорог. Химический состав шлаковых заполнителей представлен в табл.1.

Таблица 1
Химический состав наполнителя и заполнителей
Наименование	Содержание оксидов, мас.%
свойств	СаО	MnO	MgO	SiO2	Al 2O3	Fe 2O3	FeO	Na2O+К 2O	Sоб	Cr2O3	П.П.П.
Шлам ТЭЦ-2	48...52	-	1,5...6,5	1,8...2,6	2...3,2	1...2,4	-	0,4...0,6	1,5...2,5	-	36...42
Литой шлак	40...59	0,5...1,4	3,2...7,8	37...39	5,2...8,6	0,4...1,2	0,8...1,5	0,4...0,8	0,6...1,8	0,5...1,2	-

Из этой таблицы видно, что шлаки имеют модуль основности менее или близкий к 1, что обеспечивает их устойчивость к самораспаду, в их составе преобладают оксиды СаО и MgO и при введении шлама водоочистки, содержащего преимущественно известняк, увеличивается основность минеральной смеси, что обеспечивает улучшение сцепления минеральной смеси с битумным связующим, по сравнению с кислыми заполнителями (гранитный щебень и кварцевый песок). Шлаки являются отходом местной металлургической промышленности и их использование в дорожном строительстве в больших объемах способствует утилизации этих отходов и улучшению экологической обстановки промышленной зоны этих предприятий.

Шлам химводоочистки ТЭЦ, химический состав которого также представлен в табл. 1, образуется при умягчении речной воды гашеной известью, состоит преимущественно из карбонатов кальция, причем активные СаО и MgO в его составе отсутствуют. Таким образом, он удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-97, в котором ограничивается содержание указанных оксидов не более 3%. По химико-минералогическому составу он достаточно стабилен (так как речная вода р. Воронеж почти не содержит солей), а по зерновому составу характеризуется проходом через сито 0,071 мм - не менее 90%, что также удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-97. Вследствие высокой дисперсности этот шлам трудно отдает воду, поэтому для снижения энергозатрат на сушку его целесообразно вводить в виде пульпы в шлаковые пористые заполнители, активно отсасывающие из него влагу. При перемешивании с ними шлама быстро достигается однородность, а затем, при нагревании заполнителей перед смешиванием с горячим битумом, эта влага легко испаряется, так как наполнитель располагается на зернах заполнителей в виде тонкой пленки. Это способствует снижению энергозатрат на обезвоживание шлама и решает проблему его утилизации. В сутки в отвалы выбрасывается до 15 тонн такого шлама, а сброс его в природные водоисточники запрещен органами Санэпиднадзора во избежание повышения жесткости питьевой воды, но по составу Министерством Здравоохранения он признан безвредным и не способствует загрязнению окружающей среды. В промышленной зоне ТЭЦ он находится в отстойниках, которые в настоящее время практически заполнены, и проблема утилизации этого шлама стоит очень остро не только в пределах отдельных регионов, но и по всей России. Предлагаемый состав асфальтобетона с повышенным содержанием шлама химводоочистки позволяет частично решить эту проблему.

В качестве гидрофобно-пластифицирующей добавки в предлагаемом составе асфальтобетонной смеси предусмотрено применение кремнийорганических жидкостей, выпускаемых Данковским химзаводом ОАО "Силан". ГКЖ-10 представляет собой 30±5%-ный водный раствор метилсиликоната натрия, ГКЖ-11 - 30±5%-ный водный раствор этилсиликоната натрия, а ГКЖ-94 - 50%-ная водная эмульсия этилгидросилоксана. Эти добавки даже при небольших количествах (0,04...0,17 мас.%) активно гидрофобизуют поры зерен как заполнителей, так и наполнителя из шлама химводоочистки ТЭЦ, повышая их гидрофобность и снижая битумоемкость. Кроме того, они повышают эластичность битума и равномерно с ним смешиваются без пенообразования, особенно при применении быстроходных смесителей. А при смешивании с наполнителем и заполнителями повышают их активность и морозостойкость асфальтобетона. Эти добавки не являются дефицитными и безвредны с точки зрения экологии, так как не содержат вредных примесей.

Зерновой состав шлама химводоочистки представлен в табл.2.

Таблица 2
Зерновой состав наполнителя из шлама ТЭЦ-2
Наименование добавки	Содержание мас.% зерен мельче, мм							Удельная поверхность, г/см2
	0,63	0,315	0,14	0,071	0,010	0,003	0,001
Шлам ТЭЦ-2	100	100	97,6	90,6	74,2	55	28	3600...5200

Несмотря на повышенную пористость шлаковых заполнителей, предлагаемый состав асфальтобетонной смеси позволяет не увеличивать расход битума, по сравнению с плотными заполнителями (гранитный или известняковый щебень и песок отходов дробления горных пород), благодаря гидрофобизации пластифицирующей добавки ГКЖ и оптимальному соотношению шлакового щебня и песка, обеспечивающему максимально плотную упаковку зерен минеральной смеси (61...65% песка и 31% щебня).

Предлагаемые составы асфальтобетонной смеси представлены в табл.3.

Таблица 3
Составы и свойства асфальтобетонов
Наименование материалов	Расход материалов, мас.% в составах
	предлагаемых				известных
	1	2	3	4	исходный	прототип
1	2	3	4	5	6	7
Состав асфальтобетонной смеси
Щебень шлаковый, фр. 5...20 мм	31,0	31,0	31,0	31,0	-	-
Песок шлаковый, фр. 0...5 мм	61,0	63,0	65,0	65,0	13	-
Электросталеплавильный шлак	-	-	-	-	78	-
Сажесмоляная пульпа	-	-	-	-	8	-
Известняковый щебень	-	-	-	-	-	25...35
Минеральный порошок	-	-	-	-	-	1...3
Песок, фр. 0...5 мм	-	-	-	-	-	55...63
Шлам химводоочистки ТЭЦ	8,0	6,0	4,0	4,0	-	2...4
Пластификатор ГКЖ-11	0,17	0,08	0,08	0,04	-	-
Битум БНД 60/90, св. 100%	6,0	6,0	6,0	6,0	1	4,5...7
Модифицирующая добавка СВБ-М	-	-	-	-	-	0,15...0,30
Свойства асфальтобетонной смеси
1	2	3	4	5	6	7
Средняя плотность, г/см3	2,31	2,32	2,34	2,32	-	-
Остат. пористость, об.%	5,15	5,10	4,27	4,97	18,1	-
Водонасыщение, % по объему	1,0	1,12	2,00	2,40	1,5	1,15...2,96
то же при длительном водонасыщении	5,46	6,93	6,04	6,72	-	-
Предел прочности при сжатии, МПа при 20°С:	10,85	11,90	10,71	10,64	9,84	4.17...4,68
при 50°С	7,15	7,60	6,90	6,75	6,57	2,46...2,55
то же насыщенных образцов	11,39	11,54	10,71	9,68	-	-
при длительном водонасыщении	10,63	11,18	9,85	9,68	-	-
Коэффициент водостойкости	1,05	0,97	1,0	0,91	0,85	0,97...0,99
то же при длительном водонасыщении	0,98	0,94	0,92	0,87	0,9	0,94...0,96
Набухаемость, %	0,32	0,23	0,30	0,20	0,5	0,09...0,24

Технология изготовления предлагаемой смеси может быть следующей.

1. Шлам химводоочистки ТЭЦ в виде пульпы равномерно смешивается в быстроходном смесителе с добавкой ГКЖ и направляется в асфальтосмеситель для подсушивания и подогрева до температуры 90...110°С, где смешивается со шлаковым песком и щебнем в указанных соотношениях. Разогретый битум до температуры 140...160°С подается в асфальтосмеситель, где смешивается с разогретыми заполнителями и наполнителем до однородности. Полученную асфальтобетонную смесь уплотняют, как обычно, механическими или вибромоторными катками при температуре 80...90°С. Свойства полученной асфальтобетонной смеси также представлены в табл.3.

2. При наличии распылительных сушилок шлам химводоочистки ТЭЦ можно в начале смешивать с добавками ГКЖ для получения активированного порошка, высушивать в этих сушилках, а затем смешивать с разогретым до 140...160°С битумом для получения наполненного связующего. После чего предварительно разогретые до температуры 90...110°С и перемешанные в сушильном барабане асфальтосмесительной установки шлаковые заполнители в указанных пропорциях смешиваются с наполненным связующим в смесительной камере установки до однородности. Применение интенсивной раздельной технологии позволяет максимально повысить прочность и сдвигоустойчивость асфальтобетона на пористых заполнителях и уменьшить расход наиболее дорогого компонента смеси - битумного связующего. Для получения сравнимых результатов в лабораторных условиях изготовлялись образцы предлагаемых составов на шлаковых заполнителях, изготовление и испытание которых осуществлялось в одинаковых условиях. Полученные результаты представлены в табл.3.

Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что предлагаемая асфальтобетонная смесь обеспечивает более высокую прочность как при 20°С, так и при 50°С и более высокую водостойкость как обычную, так и при длительном водонасыщении.

Источники информации

1. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.

2. Авторское свидетельство №1209650, С 04 В 26/26, 18/14; С 08 L 95/00. Асфальтобетонная смесь. Опуб. 07.02.1986 г, бюл. №5.

3. Авторское свидетельство №2119465, С 04 В 26/26, Е 01 С 7/18. Асфальтобетонная смесь. Опуб. 27.09.1998 г.