Изобретение относится к материалам для дорожного строительства, а именно к составам асфальтобетонной смеси для покрытия дорог.
Известна асфальтобетонная смесь, состоящая из дорожного нефтяного битума, заполнителей из щебня и песка и минеральной добавки из тонкоизмельчённых частиц размерами меньше 0,071 мм из известняка и других карбонатных пород [1].
Недостатком известной асфальтобетонной смеси является использование минеральной добавки к битуму из известняковых горных пород, производство, которое является многозатратным как по объёму выполняемых работ, так и по себестоимости получаемого целевого продукта. Производство минеральной добавки из известняковых пород многостадийное и включает в себя добычу горной породы, её измельчения и помола, а также транспортировку до местах приготовления асфальтобетонной смеси. Месторождения известняков имеются не во всех регионах, все эти факторы влияют на удорожание себестоимости производства и применения минеральной добавки в составе асфальтобетона.
Наиболее близким к предлагаемой асфальтобетонной смеси является смесь, состоящая из заполнителей из щебня и песка, активированного минерального порошка из карбонатных пород и нефтяного битума, содержащего ПАВ из смеси продуктов целлюлозно–бумажной промышленности (ЦБП) – сырого талового масла, дистиллированного талового масла и талового пека при их массовом соотношении 1:(0,4–0,66):(0,6–1,66), и сланцевое масло или отстойную пиролизную древесную смолу в количестве 0–50% от указанной смеси продуктов ЦБП [2]. Использование данного активированного минерального порошка в составе асфальтобетонной смеси обеспечивает снижение водонасыщения и повышения длительной водостойкости асфальтобетона, увеличение его предела прочности при сжатии, снижение хрупкости и увеличение трещиностойкости при 0оС.
Недостатком данного изобретения является ограниченность целлюлозно–бумажной промышленности по местам расположения, поэтому промышленная переработка её отходов для использования в производствах асфальтобетонных смесей является практически маловероятным.
Целью изобретения является уменьшение удельных расходов производства минеральной добавки для модифицирования битума в составе асфальтобетонной смеси.
Поставленная цель достигается тем, что в составе асфальтобетонной смеси модифицирование битума осуществляют двухкомпонентной минеральной добавкой при массовом соотношении компонентов 1:1, где первого компонента получают из известняков, а для получения второго компонента используют цементную пыль, или золы угля, или боя керамического кирпича.
Сущность изобретения заключается в том, что предложенное техническое решение содержит щебень фракции 10-20 мм, щебень фракции 5-10 мм, песок речной фракции 0,14-5 мм, дробленный песок 0,14-5 мм и двухкомпонентной минеральной добавки при следущем соотношение компонентов, мас. в%:
щебень фракции 10-20 мм - 2,87
щебень фракции 5-10 мм - 48,66
песок речной фракции 0,14-5 мм - 14,32
дроблённый песок 0,14-5 мм - 23,85
двухкомпонентная
минеральная добавка - 5,72
битум нефтяной дорожный - 4,58
Минеральную добавку готовят следующим образом: определяют вещество для получения добавки, анализируют его химический и гранулометрический составы, затем подвергают помолу в шаровой мельнице до тонкости помола частиц больше 80% на сите 0,071 мм. Двухкомпонентную добавку готовят предварительным смешиванием от дозированного количества карбонатной добавки КДМ с от дозированным количеством одного из исследуемых добавок: из золы угля (ЗУ) или из цементной пыли (ЦП), или из боя керамического кирпича (КК), при массовом соотношении компонентов 1:1.
Асфальтобетонная смесь приготовляют следующим образом: выбирают компоненты состава смеси: битум, щебень, песок и минеральную добавку. В смеситель вводят от дозированные количества щебня, песка и минеральной добавки, их перемешивают, затем вводят от дозированное количество битума, и смесь перемешивают до образования однородного состояния при температурах 160-180оС. Приготовленную горячую асфальтобетонную смесь используют для покрытия автомобильных дорог.
Эффективность и пригодность исследуемых веществ для получения второго компонента смешанной минеральной добавки к битуму оценивали сравнением свойств асфальтобетона на битуме марки БДН 60/90. В испытаниях использовали состав асфальтобетонной смеси, приведённый в Таблице 1. Расход битума принят 4,8% от общей массы заполнителей, а суммарный расход минеральной добавки - 6% массы заполнителей при массовом соотношении его компонентов: КМД: предлагаемый компонент = 1:1. Данный состав асфальтобетонной смеси соответствует требованиям ГОСТ 9128-2013 [3].
Характеристики веществ для получения минеральной добавки в составе асфальтобетонной смеси
Для получения минеральной добавки использовали: 1) известняк из Харангонского месторождения Республики Таджикистан; 2) золу угля Фон-Ягнобского месторождения как отход от его сжигания на ТЭЦ-2 г. Душанбе; 3) цементную пыль печей обжига клинкера на Душанбинском цементном заводе; 4) бой керамического кирпича из одного завода района Рудаки. В Таблице 2 приведены усреднённые химические составы исследуемых веществ, а в Таблице 3- их гранулометрические составы.
В составах известняка и цементной пыли основным минералообразующим компонентом является СаО, в то же время, в составах керамического кирпича и золы угля таким компонентом является SiO2. При использовании названных веществ в составе дорожного битума их химический состав не играет определяющую роль в улучшении качества асфальтобетона, в то же время, от удельной поверхности частиц минеральной добавки зависит сила сцепления битума с поверхностью минерального заполнителя и чем тонще частицы минеральной добавки, тем лучше сцепление вяжущего с поверхностью заполнителя для повышения качества асфальтобетона. Удельная поверхность частиц минеральной добавки зависит от тонкости помола частиц на сите 0,071 мм. При помоле исследуемых веществ, также и порошка известняка, продолжительность приготовления минеральной добавки и расходуемые затраты будут зависеть от твердости подвергаемых помолу частиц. Твердость частиц определяется химическим и минералогическим составами используемой породы, в то же время, чем меньше первоначальный размер подвергаемых помолу частиц, тем меньше будут затраты производства минеральной добавки.
В составе порошка известняка 86 % частиц имеют размер 0,071-1,25 мм, что делает данного порошка в таком состояние непригодным для использования в качестве минеральной добавки без дополнительного помола. При этом следует учесть, что порошок известняка получен из сырья, добываемого в карьерах. На добычу сырья и его подготовки до порошкообразного состояния уже потрачены определённые затраты. При получение минеральной добавки из порошка известняка к ранее затраченным расходам ещё прибавляться расходы, потраченные при его дополнительном помоле до размера частиц минеральной добавки согласно требованиям ГОСТ 16557-2003 [4].
В то же время, для получения минеральной добавки битума из предлагаемых веществ затраты будут только при их помоле, поскольку эти вещества до применения в производстве минеральной добавки уже сами находятся в виде порошков с гранулометрическими составами, приведёнными в Таблице 3.
Пример приготовления асфальтобетонной смеси
Из вышеназванных веществ приготовили минеральные добавки для модифицирования битума в составе асфальтобетонной смеси. Тонкость помола приготовленных добавок соответствовала данным Таблицы 4.
Изобретение осуществляется следующим образом: исследуемых веществ анализируют на химический и гранулометрический составы, высушивают и просеивают через сито с размером отверстий 0,071 мм, остатки на сите подвергают помолу до размера частиц меньше 0,071 мм. Известняковую добавку (КМД) используют в качестве эталонной минеральной добавки и первого компонента в составе смешанной минеральной добавки, а полученные из предлагаемых веществ мелкозернистых дисперсионных порошков с размерами частиц меньше 0,071 мм вводят в отдельности в качестве второго компонента в составах двухкомпонентной смешанной минеральной добавки к дорожному битуму при приготовление асфальтобетонной смеси.
В Таблице 5 приведены значения свойств асфальтобетона с добавками, исследованные согласно методикам ГОСТ 12801-98 [5]. Определены водопоглощение (Вм, %), плотность (ℽo, г/см3), прочность при осевом сжатии (Rcж. МПа) при температурах 0оС, 20оС и 50оС, прочность при поперечном расколе (Rр, МПа) и коэффициент водостойкости (Кв) образцов асфальтобетона.
При замене 50% карбонатной минеральной добавки на предлагаемые добавки в составе битума плотность асфальтобетона практически не изменяется, при использовании добавок из керамического кирпича (КК) и золы угля (ЗУ) водопоглощение асфальтобетона снижается, возрастание водопоглощение образцов асфальтобетона, содержащих в качестве минеральной добавки цементную пыль (ЦП) всего 9,7%, возможно объясняется гидратацией некоторых частиц состава цементной пыли.
Различие в значениях прочности асфальтобетона при 0оС для всех составов варьируется в пределах от +2,7 до ₋ 5,1%, при 200С от ₋ 5,4 до +14,7% (для состава с ЗУ), а при 50оС все предлагаемые минеральные добавки увеличили прочность асфальтобетона, возрастание прочности асфальтобетона составляет от 16,7 % для состава с добавкой ЦП до 41,2% для состава с добавкой КК. Расхождение в прочностях асфальтобетона при расколе для всех составов не превышает 4%, а значении коэффициента водостойкости асфальтобетона с предлагаемыми добавками выше, чем для эталонного состава асфальтобетона с минеральной добавкой КМД.
Таким образом, при замене части карбонатной минеральной добавки (КМД) битума на предлагаемые минеральные добавки из цементной пыли (ЦП), керамического кирпича (КК) и золы угля (ЗУ) не произошло снижение качество асфальтобетона, наоборот некоторые показатели свойств асфальтобетона имеют более высокие показатели, чем для асфальтобетона с КМД.
Оценка затратов на производство минеральных добавок
Затраты на производство минеральных добавок можно представить:
· для производства минеральной добавки из известняка как
З= Зд + Зп;
для производства минеральной добавки из предлагаемых веществ, которые являются техногенными отходами других производств, как
З = Зп,
где З – общие затраты; Зд – затраты на добычу известняка, его измельчения и помола до размера частиц согласно данным Таблицы 3; Зп – затраты на дополнительный помол порошка до стандартного размера минеральной добавки согласно данным таблицы 4.
Энергетические и трудовые затраты при добыче известняка и его превращения в порошок (Зд) значительно превосходят затраты его дополнительного помола Зп. При производстве минеральных добавок ЗУ, ЦП и КК значение Зд = 0. Следовательно, производство минеральной добавки из золы угля (ЗУ), цементной пыли (ЦП) и боя керамического кирпича (КК) будет значительно малозатратным, чем производство минеральной добавки из известняка (КМД).
