Фибросодержащая смесь для дорожного покрытия Российский патент 2021 года по МПК C04B26/26 C04B16/06 C04B111/20 

Изобретение относится к области дорожно-строительных смесей, в частности, к получению современного материала для дорожного покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами.

Применение отходов промышленности для получения конкурентоспособной продукции является одной из актуальных задач бережливого производства. В дорожно-строительной отрасли утилизация отработанного старого дорожного полотна посредством его включения в состав новых покрытий получает все большее распространение.

Известны различные составы смесей для создания асфальтовых одежд, полученные различными технологиями с применением регенерированного асфальтобетонного материала, описанные в зарубежных и отечественных патентных источниках: в патенте ЕР на изобретение №0182937, US на изобретение №4559128, US на изобретение №8206500, KR на изобретение №101487180, KR на изобретение №101654614, RU на изобретение №2702434.

Существует особая группа асфальтобетонных смесей для использования дорожных покрытий в зонах, требующих их высокой температурной стойкости, в частности для зон с жарким климатом. Добавление фиброволокон в асфальтобетонные смеси способно значительно повысить эксплуатационные свойства дорожных покрытий. В частности, ПАН волокна, добавляемые в асфальтобетонные смеси, отличаются наивысшей термостойкостью. Добавление ПАН фиброволокон в асфальтобетонные смеси значительно повышают эксплуатационные свойства.

Известен состав асфальтобетонной смеси (патент RU на изобретение №2465231), который включает: щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень – 30-70, мелкий заполнитель – 10-65, минеральный порошок – 5-40, битумное вяжущее – 3-15 (сверх 100% от минерального материала), ПАН-фибра – 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала) и углеродное волокно – 0,01-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала). В качестве углеродного волокна смесь содержит мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм и со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна.

Однако слабое адгезионное взаимодействие, как оказалось, на границе раздела волокна и битума из-за отсутствия химических связей связующего с наполнителем не всегда приводит к ожидаемому повышению прочностных характеристик асфальтобетонной смеси.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является состав, описанный в патенте RU на изобретение №2713051. Состав фибросодержащей асфальтобетонной смеси включает следующие компоненты: щебень 20-60%, вода 3-12%, минеральный порошок 4-12%, полиакрилонитрильное волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм 0,07-0,6%, органическое вяжущее 4-12%, песок – остальное. Органическое вяжущее является составным из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси: битум одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 – 85-95%, совместно с битумом одной из марок: МГ 40/70, МГ 70 - 5-15%.

Однако в данном запатентованном асфальтобетонном составе учтены не все возможности улучшения физико-химических параметров, а также экологических и других показателей.

Во всех выявленных патентах Заявителем не обнаружено ни одного решения, как и в других источниках информации, использующих данные о включении в составы асфальтобетонных смесей наряду с армирующими ПАН волокнами регенерированного асфальтобетона, актуального и перспективного материала в качестве наполнителя.

Наряду с экономией сырья за счет исключения наполняющих компонентов, без которых можно обойтись в случае регенерированного материала, введение в смесь в указанных выше изобретениях регенерированного асфальтобетона требует предварительной подготовки: при необходимости, промывки, измельчения, деления на фракции и т.д. Это может повысить стоимость вновь изготавливаемого асфальтобетонного покрытия с другой стороны. Поэтому выбор каждого из компонентов разрабатываемого состава и технология его введения в смесь должна быть и экономически целесообразной.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение прочностных эксплуатационных характеристик получаемого покрытия: сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, водостойкости, трещиностойкости и повышении экологичности среды в первую очередь в условиях использования дорожного покрытия в условиях высоких температур.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в фибросодержащую смесь для дорожного покрытия, включающую составное вяжущее из одного битума первого ряда: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 – 85-95, совместно с одним из битумов второго ряда: МГ 40/70, МГ 70/130, с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; полиакрилонитрильное волокно; минеральный порошок; наполнитель с песком, входят следующие компоненты в их % соотношении:

составное вяжущее 4-6 вода 3-12 полиакрилонитрильное волокно 0,2-0,4 олеиновая кислота 0,2-0,6 минеральный порошок 4-12 регенерированный асфальтобетон как часть наполнителя 20-40 песок – остальное.

Кроме того, заявляется смесь, в которой наряду с вышеописанными признаками процент содержания входящих в составное вяжущее битумов первого и второго рядов, скомплектованных в пары, представлен следующим образом: битум первого ряда – 85-95%, второго ряда – 5-15%.

Технический результат – улучшение физико-механических параметров усиливается добавлением в состав органоминерального материала ПАН волокна именно в оптимальном – увеличенном количестве по сравнению с наиболее близким аналогом. Описанная группа компонентов во главе с регенерированным асфальтобетоном и ПАН фиброй, а также введенным в нее необходимым количеством олеиновой кислоты для наилучшего условия проявления армирующих свойств ПАН фиброволокна, а также для влияния ее в качестве ПАВ на регенерированный асфальт, дают преимущества.

Обязательной, незаменимой составляющей смеси является вода, участвующая и определяющая характер всех процессов структурообразования. При смешении компонентов с водой кинетическое смачивание происходит натеканием объемного слоя воды под действием гравитации и рабочего органа смесителя. Смачивание и растекание воды по поверхности щебня, песка, минерального порошка и фиброволокна определяется, помимо энергетических потенциалов и кристаллохимических особенностей состоянием их поверхности. Шероховатость, пористость, различные виды «загрязнения» поверхности создают энергетические барьеры, сопротивление смачиванию, особенно в динамических условиях, в процессе перемешивания. Это обусловливает проявление кинетического гистерезиса смачивания, вызываемого сопротивлением, действующим на единицу длины линии смачивания. На смачивание компонентов с выраженной гидрофильностью оказывает влияние толщина водной пленки на их поверхности.

В качестве ПАВ жирная кислота – олеиновая. Набор нескольких заявляемых компонентов, их вложение в общий состав за счёт выявленных в процессе апробации процентных соотношений позволили получить более высокие, чем у наиболее близкого аналога, заданные параметры как:

- сдвигоустойчивость,

- стойкость к колееобразованию,

- трещиностойкость,

- водостойкость.

Использование в заявляемом изобретении ПАН волокна в качестве современной армирующей добавки в асфальтобетонной смеси, обусловлено его применением для получения термически стойких материалов, и характеризуется тем, что его термостойкость позволяет даже при температурах 120-130°С в процессе выдерживания практически не изменять своих качеств. В сравнении с другими волокнами, которые в условиях комбинированных воздействий солнечного света, дыма, копоти, воды, кислот полностью разрушаются, ПАН волокна теряют прочность всего на 15%.

При выборе количества ПАН волокна в заявляемую смесь были апробированы ряд концентраций для сравнения их влияния на физико-механические свойства смеси. В результате установилась закономерность соответствия количества ПАН фибры и количества битума в смеси.

В ходе работ по получению оптимального заявляемого состава смеси и испытаний заявленного технического результата был приготовлен материал асфальтобетонной смеси, в котором в качестве компонентов фигурируют:

- олеиновая кислота, соответствующая ГОСТ 7580-91 производства ООО «ПКФ «Нижегородхимпродукт»;

- битумы Саратовского нефтеперерабатывающего завода, относящиеся к вязким нефтяным дорожным битумам марок БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60, БНД 200/300, БНД 130/200, соответствующие требованиям ГОСТ 22245-90;

- регенерированный дроблёный асфальтобетон;

- минеральный порошок, полученный, например, из части регенерированного асфальтобетона путем размола любым существующим современным способом или приобретенный порошок марки МП-2 ГОСТ Р 52129-2003.

Примеры

В соответствии с заявляемым изобретением был получен оптимальный состав (обозначен №1), в котором процентное соотношение компонентов было следующим:

олеиновая кислота 0,2 %, регенерированный асфальтобетон 20%, минеральный порошок 4 %, вода 3%, составное вяжущее 4%, ПАН волокно с плотностью 0,17 текс с длиной нарезки 6 мм 0,2%, песок – остальное,

при этом органическое вяжущее состояло из двух видов нефтяных битумов дорожных, в % от общего количества вяжущего:

вязкий битум марки БНД 200/300 – 85% и

жидкий медленногустеющий битум марки МГ 40/70 – 15%.

В соответствии с заявляемым изобретением был получен и состав (обозначен №2), в котором процентное соотношение компонентов было иным, но в пределах заявленного объема:

олеиновая кислота 0,6 %, регенерированный асфальтобетон 40%, минеральный порошок 12 %, составное вяжущее 6%, ПАН волокно плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 18 мм 0,4%, песок – остальное,

при этом вяжущее – составленное из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси:

вязкий битум марки БНД 40/60 – 95% и

жидкий медленногустеющий битум марки МГ 70/130 – 5%.

В Таблице 1 представлены результаты испытания значимых ключевых параметров при повышенной температуре (50°С) и пониженной температуре (0°С), образцов из состава №1 и №2 в сравнении с наиболее близким аналогом.

Таблица 1

Состав применённого асфальтобетонного материала Предел прочности на сжатие, МПа, при
температуре Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при
50°С, МПа Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения Трещиностойкость, МПа Коэффициент водостойкости
20°С 50°С Образец состава №1 3,8 2,1 0,42 0,77 4,6 0,96 Образец состава №2 4,3 2,9 0,50 0,92 5,6 0,99 Образец, полученный в соответствии с наиболее близким аналогом (патент RU2713051) 3,6 1,92 0,40 0,75 4,5 0,95

Из приведенных результатов видно, что образцы составов №1 и №2 обладают более высокой сдвигоустойчивостью, водостойкостью, трещиностойкостью и более высоким пределом прочности при нормальной (20°С), повышенной (50°С) и пониженной (0°С) температурах. Представленные данные демонстрируют преимущества введения ПАН фиброволокна, составного вяжущего и олеиновой кислоты.

Изобретение относится к области дорожно-строительных смесей, в частности к получению современного материала для дорожного покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами. Смесь включает составное вяжущее из одного битума первого ряда: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 85-95, совместно с одним из битумов второго ряда: МГ 40/70, МГ 70/130, с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; полиакрилонитрильное волокно; минеральный порошок; наполнитель в виде песка и регенерированного асфальтобетона в их % соотношении: вяжущее – 4-6, вода – 3-12, полиакрилонитрильное волокно – 0,2-0,4, олеиновая кислота – 0,2-0,6, минеральный порошок – 4-12, регенерированный асфальтобетон – 20-40, песок – остальное. Технический результат – улучшение физико-механических параметров. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Фибросодержащая смесь для дорожного покрытия, включающая составное вяжущее из одного битума первого ряда: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 85-95, совместно с одним из битумов второго ряда: МГ 40/70, МГ 70/130, с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; полиакрилонитрильное волокно; минеральный порошок; наполнитель, включающий песок, характеризующаяся тем, что в нее входят следующие компоненты в их % соотношении:

составное вяжущее 4-6 вода 3-12 полиакрилонитрильное волокно 0,2-0,4 олеиновая кислота 0,2-0,6 минеральный порошок 4-12 регенерированный асфальтобетон как часть наполнителя 20-40 песок – остальное

2. Смесь по п.1, характеризующаяся тем, что количество битума в составном вяжущем, образованном из пар первого и второго рядов битумов, распределено следующим образом: битум первого ряда - 85-95%, второго ряда - 5-15%.