Способ циклического производства горячей асфальтобетонной смеси Российский патент 2025 года по МПК C04B26/26 C04B40/00 C04B111/20 

Изобретение относится к области дорожного строительства, в частности к технологии производства дорожно-строительных материалов.

Соединение и взаимодействие битума и минеральных материалов является решающим фактором структурообразования в асфальтобетоне и в других битумоминеральных системах. С особенностями взаимодействия тесно связаны важнейшие свойства асфальтобетона: прочность в широком интервале температур, коррозионная устойчивость в изменяющихся влажностном и температурном режимах, интенсивность процессов старения и др. Под взаимодействием минеральных и органических вяжущих материалов понимается весь комплекс процессов, происходящих при длительном контакте этих материалов. К ним относятся физическая адсорбция минеральной поверхностью слоя битума; хемосорбционные процессы, протекающие на границе раздела битум-минеральный материал; избирательная диффузия компонентов битума в минеральный материал, вследствие которой могут существенно изменяться свойства адсорбированного битума; изменение свойств минеральных материалов в результате их взаимодействия с битумом. Адсорбция является свойством поверхности твердого или жидкого тела связывать молекулы жидкого или газообразного вещества, соприкасающегося с этой поверхностью. Различают две разновидности адсорбции - физическую и химическую. Если между частицами адсорбирующего вещества и адсорбируемого действуют только межмолекулярные силы (ван-дер-ваальсовые силы), то имеет место физическая адсорбция (иногда называемая ван-дер-ваальсовая адсорбция). Когда соприкасающиеся фазы битум - минеральный материал образуют химические соединения, происходит химическая адсорбция (хемосорбция). Между этими двумя разновидностями адсорбции существует принципиальное различие. Физическая адсорбция, происходящая под влиянием физических сил притяжения, приводит к образованию на каменной подкладке ориентированных слоев битума. При этом никаких химических изменений в адсорбционном битуме не происходит. При хемосорбции адсорбированный битум претерпевает химические изменения. Однако хемосорбцией затрагивается лишь один слой молекул адсорбируемого вещества. При физической адсорбции могут образовываться физически адсорбированные слои толщиной в несколько молекул. При соприкосновении двух несмешивающихся фаз наряду с адсорбцией могут происходить и другие сорбционные процессы. В частности может происходить проникновение массы одной фазы вглубь другой за счет диффузии вдоль узких капилляров. Проникновение битума или некоторых его компонентов вглубь минерального материала имеет место при наличии в нем аномалий в виде трещин, разломов, микропор и т.п. Особенности взаимодействия битума с такими материалами обусловлены, с одной стороны, характером поверхности и структурой адсорбента (размером и расположением аномалий), а с другой - особенностями битума. Наличие аномалий на поверхности минеральных частиц существенно изменяет условия их взаимодействия с битумом. На основе имеющихся работ (Дорожный асфальтобетон. Под редакцией профессора Л.Б. Гезенцвея, издание второе, Москва, Транспорт, 1985, 347 с.) сорбционные процессы, происходящие при взаимодействии адсорбентов с битумом, могут быть охарактеризованы следующим образом: асфальтены адсорбируются на поверхности минеральных частиц, смолы сорбируются в микропорах, находящихся на поверхности частиц. Наименее поверхностно активный и вместе с тем наименее вязкий компонент битума - масла могут проникать по капиллярам (трещинам) внутрь материала. Таким образом, в минеральных материалах, с одной стороны, концентрируется значительное количество смол в поверхностных микропорах, а часть масел за счет избирательной диффузии по капиллярам проникает внутрь материала. Этот процесс, начинающийся во время объединения минерального материала с битумом, продолжается затем в асфальтобетоне длительное время. Таким образом, при применении минеральных материалов адсорбционные слои битума на поверхности частиц обедняются смолами и маслами. Вследствие увеличения концентрации асфальтенов вязкость поверхностных слоев битума возрастает, что, в целом, ведет к ухудшению эксплуатационных качеств асфальтобетона за счет снижения упруго-эластических свойств и повышения хрупкости, особенно негативно сказывающихся для дорожного покрытия в условиях климата северных широт.

Способ (циклического, периодического) производства горячей асфальтобетонной смеси, выбранный в качестве прототипа, описан в технологической карте (https://meganorm.ru) и в целом включает в себя совокупность разного рода операций, которые можно разделить на два условных блока: транспортный, заключающиеся в перемещении ингредиентов, входящих в состав смеси (минеральный материал, битум, минеральный порошок, поверхностно-активные добавки) между технологическими установками и, собственно технологический - включающий тепловую обработку этих ингредиентов и их соединение между собой в определенных соотношении и последовательности при соблюдении температурных режимов в течение установленного времени. Так, более подробно, способ в начале производственного цикла включает подачу щебня и песка с помощью ленточного транспортера и ковшового элеватора из мест их складирования в сушильный барабан, где минеральный материал просушивают и нагревают до температуры не более 220°С. Далее горячим элеватором минеральный материал подают на грохот, осуществляющим фракционирование песка и щебня, после которого выделенные фракции направляют в соответствующие отсеки «горячего» бункера. Одновременно минеральный порошок подают в специальный отсек того же «горячего» бункера. Затем из отсеков последнего минеральный материал направляют в бункер весовой дозировки, где формируются порции минерального материала на один замес, которые засыпают в мешалку. В последней в течение 1/3 общего времени процесса перемешивания осуществляют так называемое «сухое» перемешивание, при котором происходит нагрев минерального порошка. Вяжущее (битум) заранее, т.е. до начала процесса производства асфальтобетонной смеси, подвергают температурной обработке при 110-120°С с целью полного выпаривания влаги, содержащейся в битуме, после чего предварительно разогретый битум подают в рабочие котлы, в которых поднимают его температуру до 150-165°С. Затем осуществляют дозирование битума перед каждым циклом работы мешалки, подавая в нее битум с дозированным количеством поверхностно-активных добавок (ПАВ) если это связано с производственной необходимостью. Таким образом, после «сухого» перемешивания минерального материала в течение вышеназванного промежутка времени его соединяют с битумом и продолжают процесс «мокрого» перемешивания в течение 2/3 суммарного времени, предназначенного для процесса перемешивания, зависящего от размера минерального материала. Так, например, общее время перемешивания для смеси, содержащей щебень среднего и крупного размера, находится в диапазоне 60-90 секунд. По истечении указанного времени перемешивание прекращают и полученную асфальтобетонную смесь отгружают в бункер-накопитель или в самосвалы, доставляющие смесь непосредственно в район строительства дорожного покрытия.

Полное и качественное обволакивание битумом минеральных частиц в готовой асфальтобетонной смеси не избавляет от того, что в процессе эксплуатации дорожного покрытия адсорбционные слои битума на поверхности частиц обедняются смолами и маслами за счет их избирательной диффузии внутрь частиц наполнителя, что, в конечном итоге, ведет к значительному ухудшению эксплуатационных качеств асфальтобетона.

Таким образом, решение обозначенной выше проблемы, состоит в повышении эксплуатационных качеств асфальтобетона, используемого в качестве дорожного покрытия.

Это решение заключается в том, что в способе циклического производства горячей асфальтобетонной, включающем следующую последовательность технологических операций: просушивание и нагрев минерального материала до температуры не более 220°С, фракционирование последнего и подача для временного содержания в отсеки «горячего» бункера, в один из которых одновременно подают минеральный порошок, дозирование всех минеральных материалов для одного цикла производства смеси, заполнение мешалки минеральным материалом и его «сухое» перемешивание, введение в мешалку предварительно разогретого битума и «мокрое» перемешивание до конца времени цикла, выгрузка и последующий транспорт до места использования, при этом в начале процесса «сухого» перемешивания в мешалке создают пониженное давление воздуха, которое сохраняют в течение «мокрого» перемешивания до конца цикла, а величину давления поддерживают в диапазоне 0,95-0,9 атмосферы.

Технический результат изобретения состоит в том, что при перемешивании ингредиентов в мешалке в условиях разряжения с последующим повышением давления воздуха исключается процесс обеднения битума смолами и маслами в асфальтобетоне в процессе его эксплуатации в виде покрытия за счет исключения возможности их диффузии внутрь частиц минерального наполнителя на стадии приготовления асфальтобетонной смеси.

Графическая часть представлена фиг.1 и 2 с фотографическим изображением шлифов.

Пример осуществления предлагаемого способа циклического производства асфальтобетонной смеси включает в себя известные из описания прототипа технологические приемы, а также новые приемы, сочетающиеся с известными, что в конечном итоге обеспечивает, декларируемый в заявке, технический результат. Пример конкретизируется на способе производства горячей асфальтобетонной щебеночной смеси типа Б, состав которой регламентируется п. 4.1.5. технических требований Межгосударственного стандарта ГОСТ 9128-2013. Так, способ в начале производственного цикла включает подачу щебня и песка с помощью ленточного транспортера и ковшового элеватора из мест их складирования в сушильный барабан, где минеральный материал просушивают и нагревают до температуры не более 220°С. Далее горячим элеватором минеральный материал подают на грохот, осуществляющим фракционирование песка и щебня, после которого выделенные фракции направляют в соответствующие отсеки «горячего» бункера. Одновременно минеральный порошок подают в специальный отсек того же «горячего» бункера. Затем из отсеков последнего минеральный материал направляют в бункер весовой дозировки, где формируются порции минерального материала на один замес, которые засыпают в мешалку, например, смеситель циклического действия Д - 325. В последней в течение 1/3 общего времени процесса (60-90 сек для средне- и крупнозернистых смесей) перемешивания осуществляют так называемое «сухое» перемешивание, при котором происходит нагрев минерального порошка. Вяжущее (битум) заранее, т.е. до начала процесса производства асфальтобетонной смеси, подвергают температурной обработке при 110-120°С с целью полного выпаривания, содержащейся в битуме, влаги после чего предварительно разогретый битум подают в рабочие котлы, в которых поднимают его температуру до 150-165°С. Затем осуществляют дозирование битума перед каждым циклом работы мешалки. С началом «сухого» перемешивания минерального материала в мешалке создают пониженное давление воздуха в диапазоне 0,95-0,9 атмосферы путем использования воздушного электроприводного насоса, соединяющего внутреннюю полость мешалки с наружным пространством, при этом производительность насоса должна обеспечивать возможность поддержания давления в указанном диапазоне с учетом возможных потерь (протечек) из-за негерметичности корпуса мешалки. Потери в последней могут быть компенсированы незначительными изменениями, вносимыми в корпуса мешалки в зависимости от ее конструкции. Далее, после окончания процесса «сухого» перемешивания в мешалку вводят битум и продолжают уже процесс «мокрого» перемешивания в течение оставшегося времени цикла, в течение которого продолжают поддерживать пониженное давление воздуха в мешалке. По истечении общего времени перемешивания осуществляют разгерметизацию внутренней полости мешалки, за счет начала отгрузки полученной асфальтобетонной смеси в бункер-накопитель или в самосвалы, доставляющие смесь непосредственно в район строительства дорожного покрытия. Сущность процесса воздействия разрежения на асфальтобетонную смесь заключается в том, что воздух извлекается из аномалий минерального материала и под воздействием атмосферного давления туда вводится битум.

Для доказательства возможности получения технического результата, декларируемого в заявке, предлагаемый способ производства горячей асфальтобетонной смеси был смоделирован и реализован в лабораторных условиях, где в соответствии с изложенной в способе последовательностью технологических операций и соблюдением температурных и временных режимов, рекомендуемых промышленными стандартами производства горячей асфальтобетонной смеси, была проведена серия экспериментов. В качестве объекта исследования была выбрана асфальтобетонная смесь, которая полностью по составу ее ингредиентов соответствовала стандартной смеси типа Б. Приготовление смеси осуществлялась на лабораторном смесителе с подогревом, рабочий объем (13 л) которого был загерметизирован и сообщался с воздушным компрессором, приспособленным для работы в режиме создания в объеме смесителя пониженного регулируемого давления (разрежения) до 0,7 атм. Температура нагрева дна смесительной емкости могла регулироваться в диапазоне от 0 до 300°С, обеспечивая тем самым возможность получения технологически оптимальных для горячих асфальтобетонных смесей 150-160°С за время не более 60 сек, имитируя таким образом, используемые в настоящее время реальные производственные условия. Следует отметить, что испытания проводились в соответствии с ГОСТ 1280, согласно которому из получаемой смеси формовались образцы в виде кубиков и балок при силовом воздействии на прессе, имитирующим напряженное состояние асфальтобетонной смеси под статическим вальцом, и размерами соответствующими стандартам, применяемым в лабораториях, имеющихся на каждом асфальтобетонном заводе (АБЗ). Образцы изготавливались в виде двух партий, первая из которых была контрольной, т.е. без использования разрежения, а вторая состояла из нескольких серий, каждая из которых выполнялась из смеси, подвергнувшейся воздействию пониженного давления различных величин с шагом в 0,01 атм до давления 0,85 атм. Все образцы, как первой, так и второй партий подвергались стандартным испытаниям на водоустойчивость, морозостойкость, статическую усталость, предел прочности при изгибе и т.п. Наиболее впечатляющий результат был получен по критерию морозостойкости, который превышал соответствующий показатель у контрольного образца минимум в 2,5 раза, что особенно важно при строительстве дорожных покрытий из асфальтобетона в северных широтах РФ. По другим оценочным критериям улучшение достигало от 30 до 50%. Из контрольных образцов и образцов из смеси, подвергшейся воздействию пониженного давления, были изготовлены шлифы, структура которых исследовалась на люминисцентном микроскопе Квантимен - 720, допускающим увеличение изображения в 120 раз и обеспечивающим возможность выделения каждого ингредиента (асфальтены, смолы, масла) битума для визуального наблюдения и фиксации изображения. Так, в качестве примера на фиг.1 дано фотографическое изображение шлифа с контрольного образца, а на фиг.2 - такое же изображение шлифа из смеси, обработанной пониженным давлением. Изображение обоих шлифов подобрано таким образом, что трещины в образцах сопоставимы по размерам и протяженности, при этом битум 1 имеет на черно-белом изображении белый цвет, а минеральный материал 2 - серый. Трещина на фиг.1 обозначена поз.3, трещина на фиг.2 - поз.4. Как на приложенных к описанию фотографиях шлифов, так и на остальных 85 шлифах, полученных в процессе проведенных исследований и относящихся, преимущественно, к образцам, подвергнутым обработке пониженным давлением, выявлено, что на всех из них, без исключения, мелкие поры и капилляры (трещины) заполнены битумом в той или иной мере. Заполнение имеет разный характер, так, при давлениях от 0,99 атм до 0,94 атм имело место частичное заполнение. Начиная с 0,95 атм, заполняемость оценивалась в 75% и прогрессивно возрастала до 100% при давлении 0,9, после чего наблюдалась стабилизация 100-процентной заполняемости при изменении давлении до 0,85 атм.

Значительный рост оценочных показателей асфальтобетона частично объясняется появлением нового вида связи битума с минеральным материалом, который может быть определен как механическая связь, представляющая собой множественные, нитевидные, битумные отростки, расположенные в глубине частиц минерального материал и связанные с массивом битума, обволакивающим эти частицы.

Изобретение относится к области дорожного строительства, в частности к технологии производства дорожно-строительных материалов. Предложен способ циклического производства горячей асфальтобетонной смеси, включающий просушивание и нагрев минерального материала до температуры не более 220°С, фракционирование последнего и подачу для временного содержания в отсеки «горячего» бункера, в один из которых одновременно подают минеральный порошок. Далее осуществляют дозирование всех минеральных материалов для одного цикла производства смеси, заполнение мешалки минеральным материалом и его «сухое» перемешивание, введение в мешалку предварительно разогретого битума и «мокрое» перемешивание до конца времени цикла, выгрузку и последующий транспорт до места использования. При этом в начале процесса «сухого» перемешивания в мешалке создают пониженное давление воздуха в диапазоне 0,95-0,9 атмосферы, которое поддерживают в течение «мокрого» перемешивания до конца цикла. Технический результат - повышение эксплуатационных качеств асфальтобетона. 2 ил.

Способ циклического производства горячей асфальтобетонной смеси, включающий следующую последовательность технологических операций: просушивание и нагрев минерального материала до температуры не более 220°С, фракционирование последнего и подача для временного содержания в отсеки «горячего» бункера, в один из которых одновременно подают минеральный порошок, дозирование всех минеральных материалов для одного цикла производства смеси, заполнение мешалки минеральным материалом и его «сухое» перемешивание, введение в мешалку предварительно разогретого битума и «мокрое» перемешивание до конца времени цикла, выгрузка и последующий транспорт до места использования, отличающийся тем, что в начале процесса «сухого» перемешивания в мешалке создают пониженное давление воздуха в диапазоне 0,95-0,9 атмосферы, которое поддерживают в течение «мокрого» перемешивания до конца цикла.