АСФАЛЬТОБЕТОН Российский патент 2023 года по МПК C04B26/26 E01C7/22 

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, в частности к горячим мелкозернистым асфальтобетонным смесям, и может быть использовано для устройства покрытий автомобильных дорог общего пользования IV категории и благоустройства общественных территорий.

Известен композиционный строительный материал (Авторское свидетельство RU № 2629634, опубл. 2013). Композиционный строительный материал содержит буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм³, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-12% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель. В качестве осушителя используется строительный гипс в количестве 2-4% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 40-70% от массы смеси. Данный материал имеет повышенное значение прочности, также при получении материала дополнительно осуществляется утилизация отходов бурения - бурового шлама.

Недостатком данного композиционного материала является то, что его использование ограничено зонами промышленного производства, и чаще всего, осуществляется на нефтедобывающих промыслах.

Известна асфальтобетонная смесь (авторское свидетельство SU № 1248986, МПК С04В 26/26, С04В 18/12, опубл. 07.08.1986), включающая, мас. %: битум 6,3-8,5; активированный жирными кислотами минеральный порошок 2,0-16,0; минеральный наполнитель (песок) - остальное; причем указанная асфальтобетонная смесь в качестве активированного минерального порошка содержит 98,6-99,8 мас. % отходов хвостов флотации первой стадии мокрой магнитной сепарации руды с содержанием магнетита 2-6 мас. % и 0,2-1,4 мас. % активирующего материала в виде отходов производства себациновой кислоты. Асфальтобетон, изготовленный на основе такой смеси, имеет повышенные коэффициенты трещиностойкости и водостойкости (0,91-1,00), высокую прочность при сжатии.

Недостатком известной асфальтобетонной смеси является необходимость применения активирующего материала для минерального порошка, что ведет к удорожанию получаемых смесей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является асфальтобетон (патент RU № 2755172C1), содержащий щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, буровой шлам, в качестве мелкого минерального материала - природный песок при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Природный песок 11-14 Щебень 45-48 Песок из отсевов дробления 35-39 Буровой шлам 4-8 Битум (сверх 100% минеральной части) 5-5,3

Недостатком известного асфальтобетона, взятого за прототип, является многокомпонентность состава, а также удорожание получаемых смесей за счет использование в ее составе щебня.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: щебень, природный песок, буровой шлам и битум.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение номенклатуры материалов, используемых в дорожно-строительной отрасли, получение более дешевой асфальтобетонной смеси за счет использования недорогих инертных материалов, с соответствующими нормативным документам эксплуатационными характеристиками и физико-механическими свойствами: плотностью и прочностью материала, пористостью минерального состава.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном асфальтобетоне, содержащем щебень, песок из отсевов дробления, буровой шлам и битум, использовали щебень из гравия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Щебень из гравия 31-35 Песок из отсевов дробления 60-65 Буровой шлам 4-9 Битум (сверх 100% минеральной части) 5,4-6,0

Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа являются: использование в составе смеси щебня из гравия и другой количественный состав ее компонентов.

Отличительные признаки заявляемой смеси в совокупности с известными позволят снизить стоимость асфальтобетона, сохранив при этом соответствие асфальтобетона требованиям нормативных документов по эксплуатационным характеристикам и физико-механическим свойствам.

Для приготовления асфальтобетонной смеси используют следующие инертные материалы:

1. Щебень из гравия фракция от 5 до 20 мм в соответствии с ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».

2. Песок из отсевов дробления, фракция от 0 до 5 мм в соответствии с ГОСТ 8735-2014 «Песок для строительных работ. Методы испытаний».

3. Буровой шлам – техногенный материал нефтедобывающего производства, в высушенном виде представляет собой сыпучий мелкий песок темно-серого цвета, без образования конгломератов при длительном его хранении. Класс опасности – IV. Влажность исходного бурового шлама – 60-70%, плотность влажного бурового шлама 1,7-2,1 т/м³. Модуль крупности высушенного бурового шлама M_к = 0,057 по ГОСТ 8735-2014 «Песок для строительных работ». Методы испытаний».

Были изучены физико-механические и химические показатели бурового шлама. Усредненный элементный состав исследованных образцов бурового шлама представлен в таблице 1.

Таблица 1

Элемент Содержание К2О, % 2,78-3,59 Al2O3, % 8,20-16,50 MgO, % 2,01-2,32 SiO2, % 53,30-78,90 Na2O, % 3,14-4,15 CaO, % 4,53-9,02 Потери при прокаливании, % 3,40-6,00 Нефтепродукты, мг/кг 382,4-6010,0 Нефть, % 3,5-6,0

Содержание нефти в исследуемых образцах бурового шлама составило от 3,5 до 6,0%. Это в основном парафино-нафтеновые углеводороды – 40-46,8%, из них 16-25,5% - твердые парафины, 18-24,2% - ароматические углеводороды, 17-21,1% - смолы, 5- 5,5% - асфальтены.

К числу макрокомпонентов, содержащихся в буровых шламах, относятся также неорганические водорастворимые соли, основными из которых являются хлориды (хлориды магния, кальция, аммония, натрия) с концентрацией 0,01- 0,27 %. В состав бурового шлама входят в значительных количествах каолин и кварц. Содержание в составе бурового шлама каолина определяется его количеством в буровом растворе. Количество и вид минеральных материалов в БШУ определяется условиями прохождения горных пород при бурении скважин.

Важным критерием для оценки степени негативного воздействия бурового шлама на окружающую среду является наличие нефти, соединений тяжелых металлов, которые являются наиболее опасными элементами бурового шлама способные привести к долгосрочному изменению химического состава геосферных оболочек Земли в виду их высокой водомиграционной опасности.

Был проведен сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в валовой и подвижной формах в образцах бурового шлама с установленными гигиеническими нормативами ПДК (ГН 2.1.7.2041-06, СанПиН 2.1.5.980-00). Результаты анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2

Валовые формы ТМ (РД 52.18.685-2006) Элемент Результаты, мг/кг ПДК почвы населенных мест
, мг/кг Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Cd 0,9±0,2 0,4±0,2 0,6±0,2 0,4±0,2 2,0 Cr 22,3±0,9 19±0,9 21,6±0,9 9,9±0,9 0,05 Ni 28±0,6 9,4±0,6 17,3±0,6 19,8±0,6 80 Co 10,9±0,4 2,3±0,4 2,1±0,4 6,6±0,4 - Pb 8,5±0,7 9,1±0,7 4,6±0,7 12,3±0,7 32 Cu 16±0,8 7,1±0,8 14,5±0,8 18,5±0,8 132 Mn 535±5 104±5 95±5 212±5 1500 Подвижные формы ТМ (ПНД Ф 16.1:2.3:3.50-08) Элемент Результаты, мг/кг ПДК почвы населенных мест,
мг/кг Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Cd <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 1 Cr 0,89±0,2 1,62±0,2 1,82±0,2 0,74±0,2 6 Ni 3,6±0,6 1,0±0,2 2,6±0,1 3,0±0,6 4 Co 1,8±0,4 1,6±0,4 1,4±0,4 1,2±0.4 5 Pb 2,8±0,7 2,8±0,7 3,2±0,7 3,4±0,9 6 Cu 2,30±0,6 0,42±0,13 2,02±0,5 3,32±0,8 3 Mn 207±5 27±4 23±4 51±4 500

Использование бурового шлама в составе асфальтобетонной смеси не будет формировать критического изменения химического или физического состава геосферных оболочек Земли при эксплуатации асфальтобетонного покрытия на всем его протяжении жизненного цикла.

4. Битум 90/130 (сверх 100% МЧ), в соответствии с ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные. Технические условия». Глубина проникания иглы 0,1 мм при 25°С – 90.

Для производства предлагаемой асфальтобетонной смеси не требуется изменять технологию ее приготовления на асфальтобетонном предприятии.

Асфальтобетон готовят следующим образом.

Предварительно высушенный буровой шлам для распределения в составе асфальтобетонной смеси тщательно перемешивают с минеральными материалами – щебнем из гравия и песком из отсевов дробления, после чего смесь нагревают до температуры 165-175°С. После нагрева до необходимой температуры в смесь вводят битум и перемешивают полученную смесь в течение 3 минут в мешалке принудительного типа при температуре 150 °С.

Введение бурового шлама в асфальтобетонную смесь посредством предварительного смешивания вместе с минеральными материалами исходной асфальтобетонной смеси не требует изменения технологических параметров приготовления асфальтобетонной смеси – температуры приготовления, времени перемешивания и т.п., что является большим преимуществом.

По описанному способу в лабораторных условиях были приготовлены несколько составов асфальтобетонной смеси, мас.%:

Смесь 1 – щебень из гравия - 31, отсев дробления - 65, буровой шлам - 4, битум 90/130 (сверх 100% минеральной части) - 5,6;

Смесь 2 – щебень из гравия - 33, отсев дробления - 60, буровой шлам - 7, битум 90/130 (сверх 100% минеральной части) - 5,6;

Смесь 3 – щебень из гравия - 31, отсев дробления - 60, буровой шлам - 9, битум 90/130 (сверх 100% минеральной части) - 5,6.

Из приготовленной смеси на прессе под давлением были сформованы асфальтобетонные образцы, на которых проводились испытания на соответствие смеси требованиям ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия».

Для сравнения результатов физико-механических показателей дополнительно была приготовлена асфальтобетонная смесь по прототипу, содержащая традиционный минеральный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень из гравия - 32, отсев дробления - 62, минеральный порошок - 6, битум 90/130 (сверх 100% минеральной части) - 5,6. Составы смесей и результаты их испытаний приведены в таблице 3:

Таблица 3

Результаты испытаний Показатели Требования ГОСТ 9128-2013 (2009) Прототип смесь 1 смесь 2 смесь 3 1. Средняя плотность - 2,39 2,40 2,38 2,37 2. Пористость минеральной части, % Не более 22 16,4 15,4 15,1 18,7 3. Остаточная пористость, % 2,5-5,0 3,2 2,8 3,2 3,8 4. Водонасыщение, % 1,5-4,0 2,5 2,0 2,8 3,5 5. Предел прочности при сжатии:
20ºС, не менее
50ºС, не менее
0ºС, не более 2,0
1,1
12,0 5,84
2,47
11,0 4,38
2,90
10,8 3,76
2,31
11,1 2,56
1,34
11,2 6. Сдвигоустойчивость по: коэф. внутр. трения, не менее 0,75 0,92 0,90 0,82 0,80 7. Сдвигоустойчивость по: сцепление при сдвиге при
температуре 50°С, не менее 0,40 0,67 0,60 0,51 0,48 8. Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С и скорости деформирования 50 мм/мин 2,5-7,0 5,46 5,07 5,21 5,30 9. Водостойкость, не менее 0,75 0,90 0,92 0,83 0,80

По результатам исследований можно сделать вывод, что смеси 1, 2 и 3 полностью соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2013 и не уступают по своим физико-механическим показателям смеси по прототипу. Также результаты испытаний показали, что оптимальные физико-механические показатели имеет смесь 1.

Использование предлагаемой асфальтобетонной смеси, обладающей требуемыми прочностными характеристиками, позволит расширить номенклатуру материалов в дорожно-строительной отрасли, понизить стоимость асфальтобетона, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду от размещения отхода нефтедобывающей промышленности - бурового шлама.

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, в частности к горячим мелкозернистым асфальтобетонным смесям, и может быть использовано для устройства покрытий автомобильных дорог общего пользования IV категории и благоустройства общественных территорий. Технический результат заключается в повышении физико-механических показателей, расширить номенклатуру материалов в дорожно-строительной отрасли, понизить стоимость асфальтобетона. Асфальтобетонная смесь содержит, мас.%: щебень из гравия 31-35, песок из отсевов дробления 60-65, буровой шлам 4-9, битум (сверх 100% минеральной части) 5,4-6,0. 3 табл.

Асфальтобетонная смесь, содержащая щебень, песок из отсевов дробления, буровой шлам и битум, отличающаяся тем, что в составе смеси используют щебень из гравия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Щебень из гравия 31-35 Песок из отсевов дробления 60-65 Буровой шлам 4-9 Битум (сверх 100% минеральной части) 5,4-6,0