способ устройства поверхностной обработки дорожного покрытия

Формула изобретения

Способ устройства поверхностной обработки дорожного покрытия, включающий приготовление катионной битумной эмульсии, смешение битума, эмульгатора, неорганической кислоты и воды, розлив полученной эмульсии на поверхность дорожного покрытия, нанесение минерального материала и последующее уплотнение, отличающийся тем, что в качестве минерального материала используют щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, при этом эмульгатор для приготовления битумной эмульсии вводят в количестве 1,7-2,2 кг/т в зависимости от указанного содержания гематита в щебне, а отношение массы битумной эмульсии к массе щебня составляет 0,078-0,09.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для поверхностной обработки дорожных покрытий, а также при ремонте покрытий.

Известен способ устройства поверхностной обработки дорожного покрытия, включающий приготовление битумной эмульсии смешением битума и воды, розлив полученной эмульсии на поверхность дорожного покрытия, нанесение на нее нагретого до температуры 160-220°С минерального материала и последующее уплотнение (авт. свидет. СССР №1048019, кл. Е 01 С 7/22, опубл. 1983 г.).

Недостатком этого способа является невысокая прочность поверхностной обработки из-за низких показателей стабильности и прочности сцепления битума с поверхностью минерального материала. Кроме того, осуществление этого способа требует дополнительных энергозатрат на нагрев минерального материала до t=160-220°C, а также ухудшает условия экологической и пожарной безопасности, санитарно-гигиенические условия труда при нанесении нагретого материала на битумную эмульсию, тем самым ограничивает его применение.

Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ устройства поверхностной обработки дорожного покрытия, включающий приготовление катионной битумной эмульсии смешением битума, эмульгатора, неорганической кислоты и воды, розлив полученной эмульсии на поверхность дорожного покрытия, нанесение минерального материала, например гранита, и последующее уплотнение (см. Пособие по приготовлению и применению битумных и дорожных эмульсий к СНиП 3.06.03-85, М., 1989 г., стр.12-15, 39-40. Пособие по устройству поверхностных обработок на автомобильных дорогах к СНиП 3.06.03-85, М., 1990 г., стр.8-14, 28-33) - принято за прототип.

Недостатком такого способа является невысокая прочность поверхностной обработки дорожного покрытия за счет низкой приживаемости щебня и достаточно высокая его стоимость.

Это обусловлено недостаточной стабильностью и прочностью сцепления битумной эмульсии с минеральным материалом, а высокая стоимость обусловлена высоким расходом дорогостоящего эмульгатора, идущего на приготовление битумной эмульсии, и использованием гранитного щебня.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение прочности и срока службы поверхностной обработки дорожного покрытия при одновременном снижении стоимости ее устройства.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе устройства поверхностной обработки дорожного покрытия, включающем приготовление катионной битумной эмульсии смешением битума, эмульгатора, неорганической кислоты и воды, розлив полученной эмульсии на поверхности дорожного покрытия, нанесение минерального материала и последующее уплотнение, - в качестве минерального материала используют щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, при этом эмульгатор для приготовления битумной эмульсии вводят в количестве 1,7-2,2 кг/т в зависимости от содержания указанного гематита в щебне, а отношение массы битумной эмульсии к массе щебня составляет 0,078-0,09.

Использование в качестве минерального материала щебня из хвостов сухой магнитной сепарации с содержанием гематита 19-32% позволит повысить прочность поверхностной обработки дорожного покрытия за счет увеличения адгезионного взаимодействия битумной эмульсии с минеральным материалом. Это связано с присутствием трехвалентного железа на поверхности гематита, что инициирует протекание хемосорбционных процессов при контакте с битумной эмульсией и приводит к образованию прочной битумной пленки на его поверхности. При взаимодействии битумной эмульсии с ионами трехвалентного железа происходит резкое снижение дзета-потенциала на поверхности битумных капель эмульсии, что приводит к быстрой коалесценции и коагуляции битумных капель с образованием плотной битумной пленки и полному отделению воды, присутствующей в эмульсии. Протекание этих процессов приводит к быстрой приживаемости щебня из хвостов сухой магнитной сепарации к дорожному покрытию, увеличению эксплуатационных свойств и срока службы поверхностной обработки.

Использование такого минерального материала позволяет одновременно как изменять количество эмульгатора при приготовлении битумной эмульсии, так и ее расход при устройстве поверхностной обработки в зависимости от содержания в нем гематита. Это позволит значительно сократить расход дорогостоящих зарубежных и отечественных эмульгаторов и сэкономить битумное вяжущее.

Таким образом, использование предлагаемого минерального материала при его нанесении на слой битумной эмульсии регулирует скорость ее разрушения и одновременно повышает адгезионное взаимодействие битума со щебнем, обеспечивая в целом увеличение водостойкости, прочности и долговечности поверхностной обработки при одновременном удешевлении как битумной эмульсии, так и стоимости устройства поверхностной обработки.

Способ устройства поверхностной обработки дорожного покрытия осуществляется следующим образом.

В качестве минерального материала используют щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд КМА Михайловского ГОКа, непригодных для дальнейшего применения в металлургической промышленности, имеющий следующий химический состав, %:

Fe общ. - 22,0-28; Fe mqt 4-5; FeO 4-5;

Fe₂O₃ 19-32; SiO₂ 50-60; Al ₂O₃ 0,1-1,0;

MqO 0,1-1,5; CaO 1,0-2,1 S 0,06-0,08;

Р 0,045-0,06; Р₂O₅ 0,121-0,129; С 0,55-0,65, nnn 2,69;

К₂O 0,51-0,53; Na ₂O 0,41-0,44; MnO 0,031-0,033

Щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд имеют следующие показатели качества:

- марка по пределу прочности на сжатие - 1200

- марка по истираемости - И1

- насыпная плотность - 1660 кг/м³

- значение удельной эффективной активности естественных радионуклидов-до 370 Бк/кг

- качество по морозостойкости не ниже марки F50

- содержание зерен пластинчатой и игловатой формы - не более 35%

- содержание пылевидных и глинистых частиц - не более 1%

Щебень может быть следующего фракционного состава: 5-10 мм; 5-15 мм.

Получение битумной эмульсии производят путем смешения битума при температуре 130-150°С эмульгатора, неорганической кислоты и воды, нагретой до 35-60°С, при этом эмульгатор вводят в количестве 0,17-0,22 кг/т в зависимости от массы содержания гематита в щебне.

Для приготовления битумной эмульсии применяют битумы дорожные марок, БНД 60/90, БНД 90/130 со значениями пенетрации не ниже 80 и не выше 110.

В качестве эмульгатора используют катионный эмульгатор из группы производных аминов жирного ряда, в частности смеси алкилпропилендиаминов и алкиламидоимидазолинов.

Битумную эмульсию применяют при температуре 50-70°С путем распределения на очищенное дорожное покрытие, после чего наносят щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32% с последующим уплотнением слоя. Отношение массы битумной эмульсии к щебню при устройстве поверхностной обработки составляет 0,078-0,09 в зависимости от содержания гематита.

Для экспериментальной проверки заявляемого способа были приготовлены 6 вариантов рецептур битумной эмульсии, приготовленных с учетом количества содержания гематита в щебне и в зависимости от отношения количества битумной эмульсии к массе щебня.

Количественное содержание компонентов приведено из расчета 1000 кг битумной эмульсии.

Выбор нормы расхода битумной эмульсии производился из расхода щебня фракции 5-10 мм (1 м³ щебня=1660 кг) 1,0 м³/100 м² и битумной эмульсии 1,25-1,55 кг/м² (СНиП 3.06.03. - 85)

Пример 1.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 18,5%, расход которого составлял 1,0 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,55 кг/м².

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,093, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1550 кг.

Масса гематита в указанном количеств щебня составляет 3071 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 2,3 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 346,0 кг воды, 1,7 кг соляной кислоты(р=1,184 г/см³) и 2,3 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	2,3 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см 3)	1,7 кг
Вода	346,0 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С - +70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 18,5%, после чего производят уплотнение слоя поверхностной обработки за 3-4 прохода легкого (6-8 т) катка в момент распада эмульсии.

Пример 2.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 19%, расход которого составлял 1,0 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,3 кг/м² .

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,09, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1500 кг.

Масса гематита в указанном количеств щебня составляет 3154 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 2,2 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 346,17 кг воды, 1,63 кг соляной кислоты(р=1,184 г/см³) и 2,2 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	2,2 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см 3)	1,63 кг
Вода	346,17 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С - +70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 19% с последующим уплотнением слоя.

Пример 3.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 25%, расход которого составлял 1 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,45 кг/м².

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,087, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1450 кг.

Масса гематита в указанном количеств щебня составляет 4150,0 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 2,0 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 346,52 кг воды, 1,48 кг соляной кислоты(р=1,184 г/см³) и 2,0 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	2,0 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см 3)	1,48 кг
Вода	346,52 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С - +70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 25% с последующим уплотнением слоя.

Пример 4.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 30%, расход которого составлял 1,0 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,38 кг/м².

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,083, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1380 кг.

Масса гематита в указанном количестве щебня составляет 4980 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 1,8 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 346,87 кг воды, 1,33 кг соляной кислоты (р=1,184 г/см³) и 1,8 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	1,8 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см 3)	1,33 кг
Вода	346,87 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С - +70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 30% с последующим уплотнением слоя.

Пример 5.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 32%, расход которого составлял 1,0 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,3 кг/м².

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,078, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1300 кг.

Масса гематита в указанном количеств щебня составляет 5312 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 1,7 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 347,07 кг воды, 1,23 кг соляной кислоты (р=1,184 г/см³) и 1,7 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	1,7 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см 3)	1,23 кг
Вода	347,07 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С - +70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 32% с последующим уплотнением слоя.

Пример 6.

Для устройства поверхностной обработки дорожного покрытия в качестве минерального материала используют щебень с содержанием гематита 32,5%, расход которого составлял 1,0 м³/100 м², а расход битумной эмульсии 1,25 кг/м².

При отношении массы битумной эмульсии к массе щебня, равном 0,075, количество щебня составило 16600 кг, а битумной эмульсии 1250 кг.

Масса гематита в указанном количестве щебня составляет 5395 кг.

Для приготовления битумной эмульсии количество эмульгатора составляет 1,65 кг.

В мешалке при температуре +39°С перемешивают 347,13 кг воды, 1,22 кг соляной кислоты (р=1,184 г/см³) и 1,65 кг эмульгатора до полной однородности. Полученный раствор в коллоидной мельнице соединяют с 650 кг битумной фазы при температуре 134°С.

Полученная эмульсия имеет следующую рецептуру:

Битумная фаза	650 кг
(Битум БНД 60/90)
Водная фаза:
Эмульгатор	1,65 кг
Кислота соляная (р=1,184 г/см3)	1,22 кг
Вода	347,13 кг
рН водной фазы	2,07

Приготовленную битумную эмульсию при температуре +50°С-+70°С распределяют на очищенное дорожное покрытие и наносят щебень фракции 5-10 мм с содержанием гематита 32,5% с последующим уплотнением слоя.

Примеры конкретного выполнения способа устройства поверхностной обработки дорожного покрытия приведены в таблице №1.

Таблица 1.
№ примера	Рецептура битумной эмульсии (кг/т)				Щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19,0%-32,0% масса щебня фракций 5-10 мм (1 м 3=1660 кг)	Масса битумной эмульсии кг	Отношение массы битумной эмульсии к массе щебня
	Битумная фаза кг (Битум БНД 60/90)	Водная фаза эмульгатор (кг)	Соляная кислота р=1,184 г/см 3 кг	Вода кг	Содержание гематита
1	650	2,30	1,70	346,00	18,5%	1550	0,093
2	650	2,20	1,63	346,17	19,0%	1500	0,090
3	650	2,00	1,48	346,52	25,0%	1450	0,087
4	650	1,80	1,33	346,87	30,0%	1380	0,083
5	650	1,70	1,23	347,07	32,0%	1300	0,078
6	650	1,65	1,22	347,13	32,5%	1250	0,075

Примеры влияния содержания гематита в минеральном материале на прочностные характеристики устройства поверхностной обработки дорожного покрытия представлены в таблице №2.

Таблица 2.
№ примера	Содержание гематита в минеральном материале, %	Содержание эмульгатора в битумной эмульсии, кг/т	Скорость разрушения эмульсии при взаимодействии с минеральным материалом, сек	Адгезия битума из эмульсии к минеральному материалу, %	Свойства поверхностной обработки
					Коэффициент сцепления	Коэффициент приживаемости, %
1	18,5	2,30	100	85	0,45	90
2	19,0	2,20	75	90	0,65	93
3	25,0	2,00	60	95	0,65	95
4	30,0	1,80	55	95	0,66	97
5	32,0	1,70	40	100	0,67	92
6	32,5	1,65	40	85	0,55	90
прототип	-	2,6	120	70	0,35	75

Экспериментальные данные показали, что применение в качестве минерального материала щебня из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32% позволяет регулировать расход дорогостоящего эмульгатора при приготовлении битумной эмульсии при введении его в пределах 1,7-2,2 кг/т в зависимости от массы указанного гематита в щебне. Использование щебня с содержанием гематита менее 19% нецелесообразно, так как это приводит к перерасходу эмульгатора при приготовлении битумной эмульсии и увеличению стоимости эмульсии, а также снижению прочности сцепления эмульсии со щебнем. Использование щебня с содержанием гематита более 32% ведет к повышению интенсивности влияния окислов железа на старение битума и снижению долговечности поверхностной обработки.

Отношение массы битумной эмульсии к массе щебня больше 0, 090 ведет к недопустимому перерасходу битумной эмульсии. Уменьшение отношения - меньше 0,078 ведет к ослаблению прочности поверхностной обработки из-за недопустимо тонкой пленки битумной эмульсии, удерживающей щебень на поверхности дорожного покрытия.

Применение предлагаемого способа позволит обеспечить высокую прочность поверхностной обработки за счет высокой адгезии битумной эмульсии к щебню. Использование такого минерального материала позволяет одновременно как изменить количество эмульгатора при приготовлении битумной эмульсии, так и ее расход при устройстве поверхностной обработки в зависимости от содержания в нем гематита. Это позволит значительно сократить расход дорогостоящих зарубежных и отечественных эмульгаторов и сэкономить битумное вяжущее.

Таким образом, использование предлагаемого материала при его нанесении на слой битумной эмульсии регулирует скорость ее разрушения и одновременно повышает адгезионное взаимодействие битума со щебнем, обеспечивая в целом увеличение водостойкости, прочности и долговечности поверхностной обработки при одновременном удешевлении как битумной эмульсии, так и стоимости устройства поверхностной обработки.