битумоминеральная смесь

Формула изобретения

Битумоминеральная смесь для устройства дорожных покрытий и оснований, включающая битум, минеральный порошок и песок природный, отличающаяся тем, что она содержит в качестве крупного заполнителя керамзитовый гравий или щебень из туфа, гидрофобизированные тяжелой смолой пиролиза - побочным продуктом процесса пиролиза бензина при производстве этилена, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум	5,1-6,5
минеральный порошок	11,4-17,4
песок природный	39,3-44,7
керамзитовый гравий или щебень из туфа,
гидрофобизированные 3-5 мас.% тяжелой
смолой пиролиза	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано для устройства дорожных покрытий и оснований.

Строительство дорожных асфальтобетонных покрытий и оснований во многих регионах страны ограничивается отсутствием высокопрочных каменных материалов. Для развития дорожного строительства и снижения его стоимости большое значение приобретает использование для производства битумоминеральных смесей природных пористых каменных материалов (известняки, доломиты, вулканические туфы и шлаки и др.), широко распространенных во многих районах страны, и искусственных пористых заполнителей из глинистого сырья (керамзит, аглопорит, термолит).

Целесообразность применения битумоминеральных смесей на пористых заполнителях обусловлена их высокой теплоизолирующей способностью и низкотемпературной трещиностойкостью, что делает такие материалы эффективными дорожно-строительными материалами для районов с резкоконтинентальным климатом.

Однако битумоминеральные материалы с пористыми заполнителями требуют повышенного расхода битума, имеют низкие показатели водо- и морозостойкости, повышенную склонность к старению и хрупкость вследствие избирательной фильтрации наиболее легких компонентов битума в поры пористого заполнителя.

Известно, что повышение водо- и морозостойкости битумоминеральных материалов с применением пористых известняков может быть достигнуто предварительной гидрофобизацией известняков жидкими битумами с добавками анионных ПАВ [Гезенцвей А.Л. Повышение качества битумоминеральных материалов из слабых известняков. [Текст] / А.Л.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, Г.С.Бахрах // Автомобильные дороги. - 1972. - № 5. - С.19]. Гидрофобизация жидкими битумами с добавками анионных ПАВ эффективна при использовании пористых заполнителей из карбонатных горных пород. Для гидрофобизации пористых заполнителей из кислых пород целесообразно применять смесь битума с катионактивными ПАВ, которые дороги и дефицитны.

Известна битумоминеральная смесь [А.с. 447423 СССР, МКИ³ С04В 13/30. Битумоминеральная смесь. [Текст] / М.Г.Басс, К.Т.Бондарев, С.А.Бондаренко, С.М.Багдасаров, Э.М.Гольдман и др. (СССР). - № 1884443/29-33; заявл. 19.02.73; опубл. 25.10.74. Бюл. № 39 - 2 с.], содержащая, мас.%: битум 6-9; щебень из поризованного стеклокристаллического материала 25-50; плотный минеральный наполнитель фракции менее 0,315 мм 10-20; поверхностно-активная добавка 0,01-0,05; песок - остальное.

Недостатком указанной смеси являются низкая водостойкость и невысокая теплостойкость битумоминерального материала.

Известна также асфальтобетонная смесь [Прокопец B.C. Структурно-механические и деформативные свойства асфальтобетона на пористом заполнителе. [Текст] / B.C.Прокопец, В.Д.Галдина, Г.И.Надыкто, В.А.Иванцов, Г.А.Подрез // Труды первого Всероссийского дорожного конгресса. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С.29-32], включающая, мас.%: щебень из туфа фракции 5-15 мм 28,05; отсев от дробления гранита на щебень фракции 0-10 мм 37,4; песок природный 28,05; битум 6,5.

Недостатком указанной смеси являются низкие водостойкость после длительного водонасыщения и морозостойкость.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является битумокерамзитовая смесь [Литвинова Т.В. Битумоемкость дорожного керамзита. [Текст] / Т.В.Литвинова, Ю.В.Соколов, Л.С.Петрова / Асфальтовые и цементные бетоны для условий Сибири: сб. науч. тр. - Омск: ОмПИ, 1989. - С.66-67], включающая, керамзитовый гравий, песок, минеральный порошок и битум при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Керамзитовый гравий	37,46-42,52
Песок природный	38,15-39,80
Минеральный порошок	12,32-15,30
Битум	6,31-7,44

При приготовлении указанной смеси керамзитовый гравий перед перемешиванием с другими компонентами битумокерамзитовой смеси подвергают двукратной обработке вязким дорожным битумом. Недостатками указанной битумокерамзитовой смеси являются высокий показатель водонасыщения, низкие прочность при температуре 50°С и теплоустойчивость получаемого материала, повышенный расход битума в смеси.

Показатель водонасыщения по объему характеризует количество открытых пор в материале и его водостойкость. При высоком показателе водонасыщения снижается долговечность дорожных покрытий вследствие интенсивного разрушения при длительном или периодическом увлажнении, замораживании и оттаивании. Высокая пористость также способствует повышенной хрупкости и ускоренному старению битумокерамзитового материала. Низкая прочность при 50°С и теплоустойчивость понижают сдвигоустойчивость материала при его работе в дорожном покрытии при высоких эксплуатационных температурах, повышенная хрупкость понижает деформативную способность (устойчивость против образования трещин) при отрицательных температурах дорожного покрытия [Гезенцвей, Л.Б. Дорожный асфальтобетон. [Текст] / Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, A.M.Богуславский, И.В.Королев. / Под ред. Л.Б.Гезенцвея - М.: Транспорт, 1985. С.145-175].

Целью изобретения является повышение водостойкости, прочности при температуре 50°С, теплоустойчивости битумоминерального материала и снижение расхода битума.

Цель достигается тем, что битумоминеральная смесь, включающая керамзитовый гравий или щебень из туфа, песок природный, минеральный порошок и битум, содержит керамзитовый гравий или щебень из туфа, гидрофобизированные тяжелой смолой пиролиза, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Керамзитовый гравий или щебень из туфа,
гидрофобизированные 3-5 мас.% тяжелой
смолой пиролиза	32,8-42,8
Песок природный	39,1-44,7
Минеральный порошок	11,4-17,4
Битум	5,1-6,5

Свойства крупных пористых заполнителей до и после гидрофобизации тяжелой смолой пиролиза представлены на фиг.1 (табл.1), составы битумоминеральной смеси представлены на фиг.2 (табл.2), физико-механические свойства битумоминеральной смеси - на фиг.3 (табл.3).

Тяжелая смола пиролиза является многотоннажным побочным продуктом процесса пиролиза бензина при производстве этилена. Она представляет собой вязкую жидкость темно-коричневого цвета, имеющую следующие свойства:

Плотность при 20°С, кг/м3	1030-1080
Вязкость кинематическая, при 20°С, сСт	11,4-18,2
Коксуемость, мас.%, менее	12
Содержание воды, мас.%, менее	0,5
Содержание щелочи, мас.%, менее	0,01
Содержание механических примесей, мас.%	менее 0,01
Фракционный состав: перегоняется
до 200°С, мас.%	менее 10

Групповой химический состав тяжелой смолы пиролиза, мас.%:

Асфальтены	9,26-20,07
Смолы	0,88-2,44

Углеводороды:

Парафино-нафтеновые	0,38-2,47
Моноциклоароматические	0-1,5
Бициклоароматические	17,55-36,22
Полициклоароматические	52,13-60,03

Тяжелая смола пиролиза содержит высокое количество асфальтенов и ароматических углеводородов, которые полярны и имеют высокую адгезию к поверхности минеральных материалов. Ароматические углеводороды являются весьма активными растворителями для макромолекул асфальтенов, что обусловливает малую вязкость тяжелой смолы пиролиза и ее высокую проникающую способность в поры минеральных материалов.

Гидрофобизация способствует: созданию благоприятных условий для обволакивания зерен пористого минерального материала битумом (в том числе и развитой внутренней поверхности, образуемой порами), защищая его от действия влаги; образованию структурно-механического барьера, предотвращающего избирательную фильтрацию легких компонентов битума вглубь каменного материала и способствующего уменьшению хрупкости битумоминерального материала; образованию хемосорбционных соединений на границе раздела битум - пористое зерно [Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон. [Текст] / Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, A.M.Богуславский, И.В.Королев. / Под ред. Л.Б.Гезенцвея - М.: Транспорт, 1985. С.102-104].

Испытания исходных материалов для битумоминеральных смесей (керамзитового гравия, щебня из туфа, песка природного, минерального порошка, битума и тяжелой смолы пиролиза) и битумоминеральных смесей выполнены в лаборатории кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» ГОУ «СибАДИ», что подтверждается протоколом испытаний.

Для приготовления битумоминеральных смесей использовали керамзитовый гравий и щебень из туфа фракций 5-15 мм, песок природный мелкий с модулем крупности М_к =1,56 по ГОСТ 8736-93, минеральный порошок активированный марки МП-1 по ГОСТ Р 52129-2003, битум марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90*.

Битумоминеральную смесь, предлагаемую по данному изобретению, готовят по следующей технологии. Высушенные и нагретые до температуры 140-160°С керамзитовый гравий или щебень из туфа загружают в смеситель и туда же вводят 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза, нагретой до 50-60°С. Через 10-15 с после начала перемешивания керамзитового гравия или щебня из туфа с тяжелой смолой пиролиза в смеситель подают нагретые до 140-160°С песок природный и минеральный порошок и перемешивают в течение 10-15 с. Затем в смеситель вводят разогретый до 130-150°С битум и смесь перемешивают еще в течение 10-15 с.

Истинную и среднюю плотности, пористость и водопоглощение керамзитового гравия и щебня из туфа определяли по ГОСТ 82069.0-97, прочность при сдавливании в цилиндре - по ГОСТ 9758-86.

Данные фиг.1 показывают, что после гидрофобизации зерен керамзита и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза в количестве 3-5 мас.% уменьшаются пористость и водопоглощение по объему. Прочность при сдавливании в цилиндре гидрофобизированных зерен керамзита повышается на 20,6-34,5%, щебня из туфа - на 54,6-73,9% по сравнению с прочностью необработанных зерен. Эти данные свидетельствуют об эффективности гидрофобизации керамзита и щебня из туфа предлагаемой тяжелой смолой пиролиза.

Эффект заключается в «глубинной» гидрофобизации зерен пористых материалов тяжелой смолой пиролиза. В результате такой обработки керамзита и щебня из туфа внутренняя поверхность пор этих материалов гидрофобизируется и частично кольматируется, что способствует уменьшению количества открытых пор и водопоглощения. Присутствие асфальтенов и ароматических углеводородов тяжелой смолы пиролиза в более глубоких слоях каменных материалов позволяет существенно повысить эффективность гидрофобизации.

При расходе для гидрофобизации тяжелой смолы пиролиза менее 3 мас.%, например 2 мас.%, повышаются пористость и водопоглощение, снижаются прочности пористых заполнителей.

Увеличение количества тяжелой смолы пиролиза для гидрофобизации более 5 мас.%, например 6 мас.%, нецелесообразно, так как пористость и водопоглощение практически не изменяются, а прочность понижается по сравнению с этими показателями для керамзитового гравия и щебня из туфа, гидрофобизированных 5 мас.% тяжелой смолы пиролиза. Лучшие физико-механические свойства имеют керамзитовый гравий и щебень из туфа, гидрофобизированные 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза (фиг.1).

Из битумоминеральных смесей составов 1-10 (фиг.2) формовали лабораторные образцы-цилиндры размером d=h=71,4 мм по методике ГОСТ 12801-98 при уплотняющем давлении 30 МПа. Физико-механические свойства битумоминеральных материалов определяли по ГОСТ 9128-2009 (фиг.3).

Теплоустойчивость битумоминерального материала оценивали по коэффициенту теплоустойчивости, который учитывает влияние температуры на прочность битумоминерального материала и определяется по формуле [Колбановская, А.С. Дорожные битумы. [Текст] / А.С.Колбановская, В.В.Михайлов. М.: Транспорт, 1973. - С.159-160]:

K_T =R₀/R₅₀,

где К_Т - коэффициент теплоустойчивости; R₀ и R₅₀ - пределы прочности при сжатии при температурах 0 и 50°С соответственно, МПа.

Чем меньше изменяется прочность асфальтобетона в интервале температур от +50°С до 0°С и чем выше R₅₀ и ниже R₀, тем выше теплоустойчивость битумоминерального материала и ниже значение К_Т.

Меру хрупкости определяли из выражения [Пономарева С.Г. Способ определения температуры хрупкости асфальтобетона. [Текст] / С.Г.Пономарева // Информ. листок № 85 - 38 / Омский ЦНТИ. - Омск, 1985. - 3 с.]:

X=R/A·t_p,

где Х - мера хрупкости, отн.ед.; R - предел прочности на растяжение при расколе при температуре - 10°С, МПа; с; А - угловой коэффициент начального прямолинейного участка в координатах напряжение - время, t_p - время до разрушения.

Испытания показали, что по физико-механическим свойствам битумоминеральная смесь соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетонной смеси II марки типа В.

Как видно из приведенных на фиг.3 данных, у битумоминеральной смеси предлагаемого состава по сравнению с известной смесью водонасыщение меньше в 3,6-4,1 раза, коэффициент длительной водостойкости выше на 2,3-5,7%, прочность при 50°С выше на 23,9-77,5%, коэффициент теплоустойчивости ниже на 2,1-5,2%, мера хрупкости меньше на 16,9-31,6%, оптимальное содержание битума ниже на 14,4-23,7%.

При расходе для гидрофобизации тяжелой смолы пиролиза менее 3 мас.%, например 2 мас.%, увеличивается водонасыщение, понижается прочность при 50°С, снижаются водостойкость и теплоустойчивость, повышается хрупкость битумоминерального материала. При гидрофобизации керамзитового гравия и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза в количестве более 5 мас.%, например 6 мас.%, понижается прочность при 50°С и теплоустойчивость, увеличивается хрупкость битумоминерального материала. Лучшим комплексом физико-механических свойств характеризуются битумоминеральные материалы, в которых керамзитовый гравий и щебень из туфа гидрофобизированы 3-5 мас.% тяжелой смолы пиролиза (фиг.3).

Гидрофобизация зерен керамзита и щебня из туфа тяжелой смолой пиролиза позволила уменьшить водонасыщение и оптимальное содержание битума в смеси, повысить прочность битумоминерального материала, при температуре 50°С, водостойкость и теплоустойчивость за счет увеличения адгезии битума к поверхности зерен, а также увеличить водостойкость за счет уменьшения количества воды, проникающей в поры, и понизить хрупкость вследствие предотвращения избирательной диффузии битума в поры гидрофобизированного пористого заполнителя.

При частичном дроблении зерен пористого заполнителя под действием уплотняющих и эксплуатационных нагрузок обнажаются новые, лежащие ранее в глубине поверхности. Так как гидрофобизация охватывает зерна пористого заполнителя на большую глубину, то вновь образовавшиеся поверхности также частично гидрофобизированы, в результате свободный битум в битумоминеральном материале менее подвержен старению. Дорожное покрытие становится более водостойким, прочным и теплоустойчивым, менее хрупким, следовательно, увеличивается его долговечность.