ПОЛИМЕРНО-АРМИРУЮЩИЙ ГРАНУЛИРОВАННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА Российский патент 2006 года по МПК C04B26/26 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и аэродромов и может быть использовано при устройстве верхних слоев дорожных одежд.

Специфика составов и структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) предусматривает обязательное присутствие в качестве основных структурных составляющих прочного щебня с улучшенной (кубовидной) формой зерен, объемного битума и небольшого количества стабилизирующей (обычно волокнистой) добавки для дисперсного армирования вяжущего. Основное значение стабилизирующей добавки - удерживать более толстые пленки горячего битумного вяжущего на поверхности щебня и предотвращать его отслоение и вытекание из смеси при технологических температурах приготовления, транспортирования и укладки.

ЩМА имеет все признаки композиционного материала, процесс отвердения которого по существу является процессом термопластичного матрицеобразования с формированием типичной дисперсно-упрочненной композиции.

Одновременно с общим упрочнением целью стабилизирующего дисперсного армирования является увеличение трещиностойкости и долговечности покрытий автомобильных дорог. Особое значение придается введению волокон, повышающих прочность, деформативность и, как следствие, трещиностойкость асфальтобетона.

На основании экспериментальных данных в ряде работ показано, что необходимый стабилизирующий эффект ЩМА смесям придают волокна целлюлозы. Специально выпускаемые для дорожного строительства добавки на основе целлюлозных волокон имеют коммерческие названия VIATOP, TOPCEL, TECNOCEL, INTERFIBPA, ARBOCEL, ANTROCEL и др. Из акриловых волокон присутствует на рынке и предлагается в асфальтобетонных смесях DOLONIT.

Волокна в гранулах VIATOR применяют в смесях ЩМА в США, Германии, в нашей стране и других странах. Однако большинство работ на тему асфальтобетона, армированного волокнами различного происхождения, носят общий характер и не дают каких-либо конкретных рекомендаций по технологии приготовления, хотя при слишком высокой температуре синтетические волокна распадаются, а при низкой - не растягиваются и перемешиваются лишь частично. Кроме того, следует отметить, что известные, импортные стабилизирующие добавки, например VIATOP, очень дорогостоящие.

Для повышения структурной вязкости битумов, трещино- и сдвигоустойчивости различных асфальтобетонных смесей широко используют разного рода полимерные модификаторы, например блок-сополимеры бутадиена и стирола SBS, каучука, отходы резинотехнических изделий и др.

Известны многочисленные полимерно-битумные смеси, применяемые для покрытий дорог. Чаще всего в качестве полимерной составляющей при этом используются термопластичные полимеры: эластомеры, полиолефины и т.д. Однако использование полимерных материалов в составе смесей требует обычно приготовления полимерно-битумной композиции в заводских условиях с последующей доставкой в горячем виде к месту выполнения дорожностроительных работ.

Более удобным представляется изготовление небольшого количества гранулированной добавки, содержащей одновременно стабилизирующий и полимерно-армирующий компоненты, позволяющей введение ее в ЩМА непосредственно в асфальтосмеситель на месте проведения работ. Однако приготовление и использование подобных добавок мало известно и недостаточно изучено.

Известна композиция, состоящая из смеси битума, резины с добавлением масла (Европейский пат. 0439233). Недостатком данной композиции является низкая прочность готового покрытия за счет полной окислительной деструкции полимерных цепей в резине и за счет добавления в композицию масла, что связано с применением высоких температур процесса ее приготовления.

Известен ЩМА (пат. по заявке 2002113710/03) с использованием в его составе добавки, включающей вяжущее, резиновую крошку, минеральное масло и полимер. При этом в качестве вяжущего используют битумную эмульсию, в качестве полимера - полиакриламид и дополнительно в качестве структурообразователя - волокна целлюлозы и алюмосиликат. Однако в техническом решении изобретения приведен состав ЩМА и только одно из его свойств - (стекание, %). В информации отсутствуют сведения и из нее не выявляется влияние отдельных признаков на достижение технического результата. Известна добавка, включающая битум, полимеры, минеральное масло, резиновую крошку (пат. РФ 2158742). Добавку получают в виде твердой массы, которая хорошо режется и может быть легко введена в заданном соотношении в разогретый битум непосредственно на месте проведения дорожных работ.

Существенным недостатком известной добавки является использование большого количества дорогих синтетических полимеров и за счет большого количества жидких масел - наличие большой липкости вяжущего.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ЩМА смесь для дорожного строительства (ГОСТ 31015 -2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. ТУ). В качестве стабилизирующей добавки применяют целлюлозное волокно или специальные гранулы на его основе, которые должны соответствовать требованиям технической документации предприятия-изготовителя. Допускается применять другие стабилизирующие добавки, включающие полимерные или иные волокна с круглым или удлиненным поперечным сечением нитей длиной от 0,1 мм до 10,0 мм, способных сорбировать (удерживать) битум при технологических температурах, не оказывая отрицательного воздействия на вяжущее и смеси. Обоснование пригодности стабилизирующих добавок и оптимального их содержания в смеси устанавливают посредством проведения испытаний по ГОСТ 12801 и определением показателя устойчивости к расслаиванию смеси (стекания вяжущего) и других физико-механических свойств ЩМА в соответствии с ГОСТ 31015-2002.

Недостатком таких стабилизирующих добавок является то, что они в основном обеспечивают только устойчивость ЩМА к расслоению, используя для этого дорогие синтетические полимерные волокна. Такие же важные показатели, как прочность при 50 °С, коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении, имеют невысокие значения, соответственно в пределах 0,6-0,7 МПа и 0,75-0,90.

Задачей изобретения является получение стабилизирующей добавки в гранулированном виде, способной понижать не только расслоение ЩМА смесей, но и повышать их прочность при 50 °С (т.е. улучшать теплостойкость), коэффициент длительного водонасыщения и адгезию вяжущего к минеральном материалам.

Сущность изобретения заключается в том, что полимерно-армирующий гранулированный стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона, включающий битум, полиамидное волокно, при этом в качестве полимерно-армирующей добавки он содержит отход гидроизоляции трубопроводов - АрмПЭВА, представляющий собой отход двухслойной ленты усадочного материала для изоляции труб, состоящий из слоя адгезионной активной композиции клея-расплава на основе сополимера этилена с винилацетатом и слоя радиационно-сшитого полиэтилена, обработанного электронами с нанесенным на него термоплавким клеем, а в качестве адгезива - поверхностно-активное вещество катионного типа - КАДЭМ-ВТ, представляющеео собой катионный реагент, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции С₁₆ - С₂₀ и полиэтиленполиамина, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Битум БНД 60/90 28,0-38,0Полиамидное волокно 31,0-35,0Указанная полимерно-армирующая добавка 30,0-35,0Указанное поверхностно-активное  вещество 1,0-2,0

Используемое полиамидное волокно характеризуется высокой прочностью (300-900 мН/текс при относительном удлинении 13-65 %), эластичностью, усталостной выносливостью, износостойкостью, хорошим сопротивлением ударным нагрузкам. Материал связующего (битума) не оказывает коррозирующего воздействия на армирующие волокна из полиамида. Битумное вяжущее обеспечивает хорошее смачивание волокна и высокую адгезию к армирующему элементу, особенно в присутствии небольших добавок (1-2 %) катионактивных поверхостно-активных веществ (ПАВ), в частности используемого в стабилизирующей добавке - КАДЭМ-ВТ. Главное же назначение используемых полиамидных волокон - обеспечивать устойчивость ЩМА смесей к расслаиванию (показатель «стекания») в процессе транспортировки и загрузки-выгрузки, который должен быть не более 0,20 % по массе. При подборе же состава смеси рекомендуется, чтобы показатель «стекания вяжущего» находился в пределах 0,07 % до 0,15 % по массе.

Входящая в состав стабилизирующих гранул для ЩМА полимерная добавка (АрмПЭВА) - отход гидроизоляции трубопроводов содержит в своем составе сополимер полиэтилена с этилен-винил-ацетатом в соотношении 1:1 с полиэтиленом обработанного электронами. Первая составляющая добавки обеспечивает при введении гранул на минеральный материал хорошую адгезию вяжущего к нему, совместимость с углеводородами, теплоустойчивость (повышение прочности ЩМА смесей при сжатии при 50 °С), а также более высокий коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении.

Вторая составляющая АрмПЭВА (полиэтилен-обработанный электронами (радиационно-сшитый) отличается повышенной температурой размягчения (150-160 °С) и выполняет роль полимерно-армирующей добавки в виде нитей и клубков (связующей системы) при совмещении с битумом.

Комплексное использование добавки АрмПЭВА позволяет в полной мере улучшить эксплуатационные свойства покрытий из ЩМА смесей, в том числе замедлять процессы старения битумного вяжущего за счет этилен-винил-ацетатной составляющей АрмПЭВА.

Анализ известных технических решений показал, что применение стабилизирующих добавок из полимерных синтетических волокон для ЩМА известно, однако эти стабилизаторы смесей ЩМА не имеют такие свойства, которые они проявляют в заявляемом решении, а именно высокие значения предела прочности на сжатие при 50°С, повышенный коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении, хорошую адгезию вяжущего к минеральным материалам при требуемых значениях показателя «стекания вяжущего». Достигается все это за счет использования полимерной добавки АрмПЭВА в сочетании с поверхностно-активным веществом КАДЭМ-ВТ и с полиамидными волокнами. Таким образом, данный состав компонентов придает стабилизатору ЩМА смесей иные свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».

ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Битум.

Использовался битум нефтяной дорожный БНД 60/90. В таблице 1 приведены его физико-механические свойства. По показателям свойств исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Полиамидное волокно.

Полиамидное волокно - вторичный отход текстильной промышленности. Объем ежемесячного отхода составляет около 30 т. Длина измельченного волокна составляет 0,2-5,0 мм, толщина приблизительно около 0,02 мм. Модуль упругости и прочность при растяжении стабилизирующего волокна составляет 3000-10000 МПа и 500-800 МПа. Волокно обладает низкой гигроскопичностью, свето- и термостойкостью, устойчиво по отношению к растворам щелочей, углеводородам. Температура деструкции используемых полиамидных волокон около 240 °С. Полиамидные волокна при смешивании с битумом равномерно распределяются по объему матрицы.

3. Полимерно-армирующая добавка - отход гидроизоляции трубопроводов (АрмПЭВА).

Отход гидроизоляции трубопроводов представляет собой двухслойную лету усадочного материала из высокомолекулярных соединений, относящихся к полиолефинам. Объем ежемесячного образования отхода составляет до 30 т.

Один из слоев материала представлен адгезионной активной композицией клея-расплава, применяемого в качестве адгезионного слоя в полимерных покрытиях. Изготавливается он на основе сополимера этилена с винилацетатом (Севилена), удовлетворяющего требованиям ТУ 6-05-1636-97 «Севилен» (марок 11507-070, 11706-210, 11808-340), с содержанием в нем полиэтилен-винил-ацетата в количестве 21-30 %. При комнатной температуре Севилен - твердое вещество, используется в расплавленном состоянии при 120-200 °С. В таблице 2 приведены качественные показатели используемого в работе материала.

Второй слой используемого отхода ленты представляет собой радиоционно-сшитый полиэтилен, обработанный электронами. На этот слой полиэтилена наносится термоплавкий клей - Севилен. Конструктивно лента представляет собой компонентную композицию, при соотношении слоев 1:1. Лента носит условное название «ДОНРАД», имеет сертификат соответствия № РОСС RU АЯ 94. ВО6868.

4. Катионактивное ПАВ КАДЭМ-ВТ.

В качестве катионактивного ПАВ использовался катионный реагент КАДЭМ-ВТ производства ОАО НИИПАВ, г. Волгодонск. Технические условия ТУ 2482-009-04706205-03. Реагент КАДЭМ-ВТ изготавливается из кислот растительного или животного происхождения фракции С₁₆ - С₂₀ и полиэтиленполиамина.

По органолептическим и физико-химическим показателям реагент КАДЭМ-ВТ удовлетворяет требованиям и нормам, указанным в таблице 3.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов полимерно-армирующего гранулированного стабилизатора для ЩМА (табл. 4). В качестве используемых материалов использовались вышеописанные компоненты (битум, полиамидное волокно, полимерно-армирующая добавка (АрмПЭВА) и поверхностно-активное вещество (КАДЭМ-ВТ).

За основные характеристики полимерно-армирующего гранулированного стабилизатора приняты показатели свойств ЩМА, приготовленного с использованием заявляемого стабилизатора: предел прочности на сжатие при 50 °С, адгезия битума к минеральным материалам, коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении и показатель «стекание вяжущего».

Образцы гранулированного стабилизатора ЩМА готовили следующим образом. В битум при температуре 140-150°С вводилось поверхностно-активное вещество (КАДЭМ-ВТ). Смесь перемешивалась в течение 3-5 минут до получения однородного состояния, после чего вводилась полимерно-армирующая добавка (АрмПЭВА) и затем полиамидное волокно. Полученная композиция перемешивалась в экструдере и при температуре 150-160 °С гранулировалась. В таблице 4 приведены составы полученного стабилизатора для ЩМА.

Разработанный стабилизатор использовался для приготовления щебеночно-мастичных смесей путем добавления его на минеральные материалы: щебень фракции 10-15 мм, щебень фракции 5-10 мм, дробленый песок. Гранулометрический состав ЩМА подбирался в соответствии с ГОСТ 31015-2002. В таблице 5 приведены зерновые составы исходных материалов и подобранная смесь ЩМА-15. Смесь указанного минерального материала со стабилизирующей добавкой перемешивалась в течение 20-30 сек при температуре 150-160°С, после чего подавался при перемешивании минеральный порошок, затем битум, нагретый до температуры 140-150 °С. Компоненты смеси вновь перемешивались до образования однородной смеси. Далее из смеси готовились в лабораторных условиях образцы ЩМА смесей.

В связи с тем что ЩМА смеси содержат более 50 % щебня, для изготовления образцов применялся комбинированный метод уплотнения путем вибрирования с последующим доуплотнением прессованием под давлением (20,0 ± 0,5) МПа (в соответствии с ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства). Температура формования смеси составляла 150-160 °С

Составы ЩМА смесей и результаты их сравнительных испытаний сведены в таблицу 6.

Из данных таблицы 6 следует, что предложенный стабилизатор позволил получить ЩМА смеси с более высоким показателем прочности на сжатие при температуре 50 °С (в 1,5-2 раза выше требуемого), что обеспечивает повышение теплоустойчивости, повысить коэффициент водостойкости смесей при длительном водонасыщении на 6-11 %, улучшить адгезию вяжущего к минеральным материалам и ряд других показателей при требуемых значениях показателя «стекание вяжущего», что обеспечивает их эффективное применение для дорожных покрытий. Стабилизатор лишен липкости, может транспортироваться в удобной форме в виде гранул, пригоден для прямого введения на минеральные материалы на месте его использования.

Использование предложенного стабилизатора в составе ЩМА смесей обеспечивает устойчивость их к расслаиванию в процессе транспортировки и загрузки-выгрузки, позволяет повысить сроки эксплуатации покрытий в 1,5 раза и более, замедляет старение покрытий и др.

Таблица 1
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИТУМАПенетрация приРастяжимость, см, при 25 °СТемпература, °СИнтервал пластичности, °СПрилипаемость (адгезия) по пятибалльной системе, баллЭластичность25 °С0°Сразмягченияхрупкостик пескук мрамору7226>10048,0-18,066,032отсутствует 
Таблица 2
КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕВИЛЕНАПлотность
г/см³Показатель текучести расплава г/10 мин при температуре 125 °СМассовая доля винилацетата, %Прочность при разрыве, МПаОтносительное удлинение при разрыве, %Метод переработки0,94714,7265,4608компаундирование

Таблица 3
ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАДЭМ-ВТНаименование показателейНома по ТУЗначение показателяМетод испытаний1. Внешний вид при 20°СОт жидкого до пастообразного состоянияПастообразныйМетод испытаний2. ЦветКоричневыйСветло-коричневыйВизуально3. Аминное число, мгНС1/ г, не менее150135По п.3.4 настоящих ТУ4. Кислотное число мгКОН/ г0-64,5По ГОСТ 18995.1-735. Плотность, г/ см³ при 20°С при 50°С0,940-0,950 0,935-0,9450,945 0,939По ГОСТ 33-826. Вязкость,мм² / с (ccm), при 50°С, не более600527По ГОСТ 33-82 
Таблица 4
СОСТАВ ГРАНУЛИРОВАННОГО СТАБИЛИЗАТОРА ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА№№ составовСодержание компонентов добавки, мас.%Битум БНД 60/90Полимерная добавка АрмПЭВАПолиамидное волокноПАВ-КАДЭМ-ВТ144,526,029,00,5238,030,031,01,0333,532,033,01,5428,035,035,02,0530,538,039,02,5

Таблица 5
ПОДБОР СОСТАВА ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ЩМА-15NНаименование материалаСодержание материала,
%Зерновой состав, прошло через сито, мм в % по массе20151052,51,250,630,3150,140,071 Исходные материалы           1Щебень фракции 10-15 мм10010087,654,251,331,331,331,331,301,281,232Щебень фракции 5-10 мм10010010087,755,401,701,251,151,050,950,853Дробленый песок10010010010097,3579,2553,0037,5025,9017,6510,404Актив, минеральный порошок10010010010010010010010099,2098,4082,70 Состав смеси           1Щебень фракции 10-15 мм555548,212,340,730,730,730,730,720,700,672Щебень фракции 5-10 мм17171714,920,920,290,210,200,180,160,143Дробленый песок1616161615,5812,688,486,004,142,821,664Актив, минеральный порошок121212121212121211,9011,819,92              Готовая смесь10010093,2145,2629,2225,7021,4218,9216,9415,4912,41 ГОСТ 31015-200210010090-10040-6025-3518-2815-2512-2210-209-169-14

Таблица 6
СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА№№
составовСостав щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), мас.%Физико-механические показатели свойств ЩМАМинеральный материалБитум БНД 60/90Добавка стабилизирующаяОстаточная пористость, %Водона-сыще-ние, % по объемуПредел прочностиСдвигоустойчивость:Водостойкость при длительном водонасыщенииПоказатель стекания вяжущего, %Адгезия вяжущего к минеральным материалам по пятибалльной системе, балл20°С50°СКоэффициент внутреннего тренияСцепление при сдвиге при 20°С, МПа193,356,00,652,892,054,081,070,940,220,990,125294,005,50,503,212,394,351,180,960,240,950,105394,655,00,353,652,814,961,350,980,280,900,064 Известная492,5-93,86-70,2-0,5От 1,5 до4,5От 1,0 до 4,0Не менее 2,2Не менее 0,65Не менее 0,93Не менее 0,18Не менее 0,85Не более 0,20Не нормируется

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд. Технический результат: получение стабилизирующей добавки в гранулированном виде, способной понижать не только расслоение щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, но и повышать их прочность при 50^оС (т.е. улучшать теплостойкость), коэффициент длительного водонасыщения и адгезию вяжущего к минеральным материалам. Полимерно-армирующий гранулированный стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона включает битум и полиамидное волокно, причем в качестве полимерно-армирующей добавки он содержит отход гидроизоляции трубопроводов - АрмПЭВА, представляющий собой отход двухслойной ленты усадочного материала для изоляции труб, состоящий из слоя адгезионной активной композиции клея-расплава на основе сополимера этилена с винилацетатом и слоя радиационно-сшитого полиэтилена, обработанного электронами с нанесенным на него термоплавким клеем, а в качестве адгезива - поверхностно-активное вещество катионного типа - КАДЭМ-ВТ, представляющего собой катионный реагент, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции С₁₆ - С₂₀ и полиэтиленполиамина, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум БНД 60/90 - 28,0-38,0, полиамидное волокно - 31,0-35,0, указанная полимерно-армирующая добавка - 30,0-35,0, указанное поверхностно-активное вещество - 1,0-2,0. 1 н.п.ф-лы, 6 табл.

Полимерно-армирующий гранулированный стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона, включающий битум, полиамидное волокно, отличающийся тем, что в качестве полимерно-армирующей добавки он содержит отход гидроизоляции трубопроводов - АрмПЭВА, представляющий собой отход двухслойной ленты усадочного материала для изоляции труб, состоящий из слоя адгезионной активной композиции клея-расплава на основе сополимера этилена с винилацетатом и слоя радиационно-сшитого полиэтилена, обработанного электронами с нанесенным на него термоплавким клеем, а в качестве адгезива - поверхностно-активное вещество катионного типа - КАДЭМ-ВТ, представляющее собой катионный реагент, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции С₁₆ - С₂₀ и полиэтиленполиамина, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум БНД 60/90 28,0-38,0Полиамидное волокно 31,0-35,0Указанная полимерно-армирующая добавка 30,0-35,0Указанное поверхностно-активное вещество 1,0-2,0