Способ получения холодной асфальтобетонной смеси на основе модифицированной полимерно-битумной композиции Российский патент 2024 года по МПК C04B26/26 C08L95/00 

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления холодной асфальтобетонной смеси на основе модифицированной полимерно-битумной композиции и может быть использовано для устройства дорожных покрытий, ямочного ремонта асфальта (в т.ч., при низких температурах), асфальтирования придомовых территорий, восстановлении полотна при установке водостоков, устройстве канализационных люков.

При создании всех типов асфальтобетонов ключевую роль играет качество битумного вяжущего, его содержание в смеси, когезионные и адгезионные свойства. Как правило, для приготовления холодных асфальтобетонных смесей разных марок по ГОСТ 9128-2013, используется жидкий битум с содержанием по массе 3,5-5,5% для типа Бх, 4,0-6,0% для типа Вх, 4,5-6,5% для Гх и Дх. В зависимости от качества битумного вяжущего возможно добавление полимерных модификаторов и пластификаторов для улучшения товарных показателей асфальтобетонных смесей.

Известен способ получения холодной асфальтобетонной смеси (патент RU 2560364), заключающийся в нанесении оболочек связующего из модифицированного битума на разогретые частицы крупных фракций минеральной части асфальтобетона. При этом связующее оболочек на частицах минеральной части смеси представляет собой асфальтовяжущее, полученное окатыванием крупных частиц минеральной части смеси минеральным порошком в присутствии модифицированного битума, в качестве модификатора битума используются отработки моторного масла в количестве 15-25% от массы битума, а содержание минерального порошка в асфальтобетонной смеси составляет 50% от массы минеральной части смеси.

Недостатком данного способа является большое количество используемого отработанного моторного масла, что увеличивает себестоимость вяжущего. Кроме того, изготовленный таким образом холодный асфальтобетон не удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2013 по показателю водонасыщения (1,7% до прогрева, при норме от 5 до 9%), а также по показателю предела прочности при сжатии сухих до прогрева (1,8 МПа, при норме не менее 1,7).

Существует изобретение по изготовлению асфальтобетонной смеси (патент RU 2262492), содержащей известняковый щебень фракции, нефтяной вязкий битум, минеральный порошок, полимерную добавку (бывших в употреблении пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТФ)) и песок, при следующем соотношении компонентов, мас. %: известняковый щебень фракции 5-20 мм - 35-45; нефтяной вязкий битум - 5,0-5,5; минеральный порошок из доломитовых или известняковых пород - 3-8; полимерная добавка - 0,1-0,25 от массы битума; песок фракции до 5 мм - остальное.

Недостатками данного изобретения являются: большое значение прочности при 0°С, так как высокое значение прочности при 0°С является причиной низкой эластичности асфальтобетона при отрицательных температурах, что может привести к образованию трещин в зимних условиях в дорожных покрытиях (предел прочности при сжатии при 0°С равен 14 МПа, при ГОСТ 9128-97 не более 13 МПа); низкая водостойкость (коэффициент водостойкости равен 0,98, при ГОСТ 9128-97 не менее 0,85).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения асфальтобетонной смеси, описанный в патенте №2297990. Согласно изобретению асфальтобетонную смесь получают на основе полимерно-битумного вяжущего, для изготовления которого, применяется битум, бутадиен-стирольный термоэластопласт (в качестве полимера), индустриальное масло (пластификатор) и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество (тяжелые жирные кислоты) при следующем соотношении компонентов мас. %: битум 86-89; бутадиен-стирольный термоэластопласт 2,5-5; индустриальное масло 5,5-7,5; тяжелые жирные кислоты 1-3.

Недостатками данного изобретения являются высокая стоимость товарного асфальтобетона из-за применения дорогостоящих компонентов: бутадиен-стирольного полимера и поверхностно-активного вещества (тяжелых жирных кислот), а также несоответствие требованиям ГОСТ 12801 по показателю водонасыщения (фактическое значение 0,9%, при требовании от 1,5 до 4%).

Технической проблемой настоящего изобретения является разработка способа получения холодной асфальтобетонной смеси на основе модифицированной полимерно-битумной композиции, компонентами которой являются ПЭТФ-пыль в качестве полимерного модификатора, экстракт селективной очистки масляного дистиллята 3 фракции в качестве пластифицирующей добавки и некондиционного товарного битума марки БНД 60/90 с достижением следующего технического результата: повышение показателей прочности асфальтобетона, повышенные характеристики предела при сжатии до и после прогрева, сцепления битума с минеральной частью и слеживаемости в сравнении с аналогичным по составу асфальтобетоном, но на основе товарного образца битума.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения холодной асфальтобетонной смеси, включающем получение полимерно-битумной композиции (ПБК) на основе вяжущего битума, пластифицирующей добавки и модификатора, нагрев минеральных материалов, состоящих из щебня, песка из отсевов дробления, перемешивание их в нагретом состоянии в смесителе с последующей выгрузкой полученной смеси и охлаждением, согласно изобретению смесь получают на основе вяжущего некондиционного товарного битума марки БНД 60/90, модифицированного добавлением 10% экстракта селективной очистки масляного дистиллята третьей фракции в качестве пластифицирующей добавки и 1% полимерного отхода пылевидного полиэтилентерефталата в качестве модификатора. Полимерно-битумную композицию получают смешиванием пластификатора и полимерного модификатора при температуре свыше 220°С в течение часа с последующим смешиванием получившего расплава с битумом в течение 30 минут.Минеральные материалы нагревают до 105-115°С, модифицированный битум - до 80-90°С и перемешивают в течение 3-5 минут до нужной температуры смеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

модифицированный битум - 4 - 5,5% сверх 100%

щебень - 36

песок из отсевов дробления - 64

В качестве основы для приготовления асфальтобетонной смеси используют некондиционный товарный битум марки БНД 60/90. Из таблицы 1 видно, что образец битума обладает высокой дуктильностью, что может, в конечном, итоге привести к колееобразованию в случае с вязким дорожным битумом с высокой твердостью, а также температурой размягчения, не удовлетворяющей требованиям ГОСТ 22245-90 (фактическое значение 43,3°С при ГОСТ не ниже 47°С). Он не имеет запаса хрупкости (фактическое значение -17°С при ГОСТ не выше -15°С), и при этом для БНД 60/90 обладает слишком высокой твердостью, о чем свидетельствуют показатель глубины проникания иглы (фактическое значение 61 при ГОСТ - 61-90).

В качестве пластифицирующей добавки использовали экстракт селективной очистки масляного дистиллята третьей фракции производства нефтяных масел. При модификации в первую очередь определялась оптимальная концентрация экстракта. В ходе ряда испытаний было установлено оптимальное содержание пластификатора (10% от общей массы битума), которое позволяет значительно увеличить запас по температуре хрупкости, при этом не сильно понижая температуру размягчения, линейно уменьшая дуктильность и увеличивая значение пенетрации.

После выявления оптимальной концентрации экстракта в битуме были изготовлены полимер-экстрактные расплавы. В общей массе испытывалось влияние на качество вяжущего от 1 до 4% мас. ПЭТФ-пыли (также от общей массы образца) с сохранением содержания пластификатора в 10% мас. В ходе добавления ПЭТФ-пыли показатели размягчения и дуктильности сначала возросли, после чего начали снижаться. Максимальная температура хрупкости закрепилась при добавлении 1% ПЭТФ-пыли, а твердость битума возрастала в каждом из образцов с добавлением все большего количества полимера.

Наилучшими показателями обладает битум с добавлением 1% мас. ПЭТФ-пыли, при этом все значения соответствуют требованиям ГОСТ 22245-90 для марки битума БНД 130/200. В таблице 2 представлены сравнительные результаты.

Приготовление асфальтобетонной смеси осуществляют следующим образом.

Перед изготовлением полимерно-битумной композиции определяют влияние чистой пластифицирующей добавки на свойства битума (каким образом изменяются характеристики в зависимости от количества внесенной пластифицирующей добавки). Образец битума смешивают с пластифицирующей добавкой, после чего проводятся требуемые испытания.

После выявления оптимального количества пластифицирующей добавки готовятся расплавы «пластификатор: полимер». В пластифицирующую добавку при температуре свыше 220°С постепенно вносится полимерный модификатор при постоянном перемешивании в течение 1 часа. Далее готовый расплав смешивается с чистым битумом в течение 30 минут для получения однородного вяжущего, после чего вновь проводятся испытания, результаты которых сравниваются с требованиями ГОСТ 22245-90. После завершения проектирования состава асфальтобетонной смеси прогретые до 105-115°С песок из отсева дробления (фракция 0-5), щебень (фракция 5-10) и модифицированный битум - до 80-90°С подаются в смеситель и перемешиваются в течение 3-5 минут. Температура полученной смеси составляет 90-110°С.Приготовленную смесь медленно охлаждают и формуют из нее образцы для испытаний.

Приготовленная полимерно-битумная композиция имела следующий состав, представленный в примерах 1-3:

Пример 1

- битум (94% мас.);

- экстракт селективной очистки (5% мас.);

- ПЭТФ-пыль (1% мас.).

Однако при внесении полимера в пластифицирующую добавку при температуре свыше 220°С полимер подвергся термолизу. При снижении температуры до 200°С, ПЭТФ расплавился лишь частично, а оставшаяся пыль образовала пленку на поверхности расплава.

Пример 2

- битум (89% мас.);

- экстракт селективной очистки (10% мас.);

- ПЭТФ-пыль (1% мас.).

По примеру 2 получают образец, аналогичный по своим свойствам БНД 130/200 (таблица 2), для создания холодной асфальтобетонной смеси.

Пример 3

- битум (88-86% мас.);

- экстракт селективной очистки (10% мас.);

- ПЭТФ-пыль (2-4% мас.).

При увеличении содержания ПЭТФ-пыли в битуме показатели размягчения и дуктильности снижаются с 37,7°С (при 2%) до 35,8°С (при 4%) и с 67,5 см (при 2%) до 59,7 см (при 4%) соответственно. Хрупкость битума повышается с -22°С (при 2%) до -20°С (при 4%). Твердость битума, характеризуемая глубиной проникания иглы, повышается со 122 (при 2%) до 98 (при 4%).

Асфальтобетонная смесь, приготовленная на основе ПБК по примеру 2, имеет следующий состав (битум сверх 100% мас.), представленный в примерах 1-4:

Пример 1

- битум (модельный образец) (4,5% сверх, мас.);

- фракция 5-10 (36% мас.);

- фракция 0-5 (64% мас.).

Прогретые до 110°С песок из отсева дробления (фракция 0-5), щебень (фракция 5-10) и модифицированный битум - до 85°С, подаются в смеситель и перемешиваются в течение 4 минут. Температура полученной смеси составляет 100°С, приготовленную смесь медленно охлаждают и формуют из нее образцы для испытаний. Далее образец сравнивали по характеристикам с аналогичным асфальтобетоном, но на основе товарной марки БНД 130/200.

Пример 2

- битум (модельный образец) (5,5% сверх, мас.);

- фракция 5-10 (36% мас.);

- фракция 0-5 (64% мас.).

При повышении содержания битума в образце асфальтобетонной смеси снизился предел прочности до и после прогрева: при 4,5% (до прогрева) - 2,5 МПа (сухих), при 5,5% (до прогрева) - 2,1 МПа (сухих); при 4,5% (после прогрева) - 2,5 МПа (сухих), 2,0 МПа (водонасыщенных), 1,6 МПа (после длительного водонасыщения), при 5,5% (после прогрева) - 2,3 МПа (сухих), 1,4 МПа (водонасыщенных), 0,8 МПа (после длительного водонасыщения). Также снизилась средняя плотность: при 4,5% - 2,53 г/см³ при 5,5% - 2,07 г/см³. Однако снизилась слеживаемость, характеризуемая числом ударов: при 4,5% - 8, при 5,5% - 6.

Пример 3

- битум (модельный образец) (4% сверх, мас.);

- фракция 5-10 (36% мас.);

- фракция 0-5 (64% мас.).

При снижении содержания битума в образце асфальтобетонной смеси незначительно повысился предел прочности до и после прогрева: при 4,5% (до прогрева) - 2,5 МПа (сухих), 1,0 МПа (водонасыщенных), 0,9 МПа (после длительного водонасыщения), при 4,0% (до прогрева) - 2,7 МПа (сухих), 1,3 МПа (водонасыщенных), 1,1 МПа (после длительного водонасыщения), при 4,0% (до прогрева); при 4,5% (после прогрева) - 2,5 МПа (сухих), 2,0 МПа (водонасыщенных), при 4,0% (после прогрева) - 2,8 МПа (сухих), 2,2 МПа (водонасыщенных). Также снизилась средняя плотность: при 4,5% - 2,53 г/см3, при 5,5% - 2,07 г/см3. Однако снизилась слеживаемость, характеризуемая числом ударов: при 4,5% - 8, при 5,5% - 6. Повысилась средняя плотность: при 4,5% - 2,53 г/см3, при 4,0% - 2,61 г/см3. Снизилась слеживаемость, характеризуемая числом ударов: при 4,5% - 8, при 5,5% - 9.

Пример 4

- битум товарный марки БНД 130/200 (4,5% сверх, мас.);

- фракция 5-10 (36% мас.);

- фракция 0-5 (64% мас.).

Прогретые до 110°С песок из отсева дробления (фракция 0-5), щебень (фракция 5-10) и товарный битум - до 85°С, подаются в смеситель и перемешиваются в течение 4 минут. Температура полученной смеси составляет 100°С, приготовленную смесь медленно охлаждают и формуют из нее образцы для испытаний. Образец является эталоном для сравнения с асфальтобетонной смесью на основе модельного образца битума.

На основе полученного модифицированного битумного вяжущего получают холодную асфальтобетонную смесь типа Бх марки II на органическом вяжущем, согласно III технической категории автомобильных дорог и III дорожно-климатической зоне. Проектирование состава АБС выполнено по методу СоюздорНИИ. Применяемые материалы, зерновой состав смеси и состав смеси представлены в таблицах 3, 4, 5. В таблице 6 указаны физико-механические свойства изготовленной асфальтобетонной смеси на основе модифицированного битума в сравнении с товарной маркой битума БНД 130/200 при идентичном составе. Улучшение реологических свойств некондиционного товарного битума марки БНД 60/90 наблюдается при добавлении экстракта селективной очистки в качестве пластифицирующей добавки и пылевидного полиэтилентерефталата в качестве полимерного модификатора. При этом получили модельный образец, аналогичный по свойствам БНД 130/200, на основе которого был приготовлен холодный асфальтобетон, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 9128-2013.

Таким образом, получают холодную асфальтобетонную смесь на основе модифицированной полимерно-битумной композиции, превосходящую идентичную, но на основе товарной марки битума БНД 130/200, по показателям сцепления битума с минеральной частью, слеживаемости, предела прочности при сжатии при температуре 20°С, МПа до прогрева (сухих, водонасыщенных, после длительного водонасыщения), предела прочности при сжатии при температуре 20°С, МПа после прогрева (водонасыщенных, после длительного водонасыщения), что подтверждает возможность использования побочных и отходных материалов для улучшения свойств битумных вяжущих без использования специализированных и дорогостоящих полимерных модификаторов и пластифицирующих добавок, а также достигается рециклинг полимерных микроэлементов, пагубно влияющих на окружающую среду.

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления холодной асфальтобетонной смеси на основе модифицированной полимерно-битумной композиции. Технический результат заключается в повышении показателей прочности асфальтобетона, повышении характеристик предела при сжатии до и после прогрева, сцепления битума с минеральной частью и слеживаемости. Способ получения холодной асфальтобетонной смеси включает получение полимерно-битумной композиции на основе вяжущего битума, пластифицирующей добавки и модификатора, нагрев минеральных материалов, состоящих из щебня, песка из отсевов дробления, перемешивание их в нагретом состоянии в смесителе с последующей выгрузкой полученной смеси и охлаждением, при этом смесь получают на основе вяжущего некондиционного товарного битума марки БНД 60/90, модифицированного добавлением 10% экстракта селективной очистки масляного дистиллята третьей фракции в качестве пластифицирующей добавки и 1% полимерного отхода пылевидного полиэтилентерефталата в качестве модификатора, при этом полимерно-битумную композицию получают смешиванием пластификатора и полимерного модификатора при температуре свыше 220°С в течение часа с последующим смешиванием получившего расплава с битумом в течение 30 мин, минеральные материалы нагревают до 105-115°С, модифицированный битум - до 80-90°С и перемешивают в течение 3-5 мин до температуры смеси 90-110°С, при следующем соотношении компонентов, мас. %: модифицированный битум 4-5,5 сверх 100%, щебень 36, песок из отсевов дробления 64. 6 табл.

Способ получения холодной асфальтобетонной смеси, включающий получение полимерно-битумной композиции на основе вяжущего битума, пластифицирующей добавки и модификатора, нагрев минеральных материалов, состоящих из щебня фракции 5-10 мм и песка из отсевов дробления фракции 0-5 мм, перемешивание их в нагретом состоянии в смесителе с последующей выгрузкой полученной смеси и охлаждением, отличающийся тем, что смесь получают на основе вяжущего некондиционного товарного битума марки БНД 60/90, модифицированного добавлением 10% экстракта селективной очистки масляного дистиллята третьей фракции в качестве пластифицирующей добавки и 1% полимерного отхода пылевидного полиэтилентерефталата в качестве модификатора, при этом полимерно-битумную композицию получают смешиванием пластификатора и полимерного модификатора при температуре свыше 220°С в течение часа с последующим смешиванием получившего расплава с битумом в течение 30 мин, минеральные материалы нагревают до 105-115°С, модифицированный битум - до 80-90°С и перемешивают в течение 3-5 мин до температуры смеси 90-110°С, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

модифицированный битум - 4-5,5 сверх 100%;

щебень - 36;

песок из отсевов дробления - 64.