Асфальтобетонная композиция

Асфальтобетонная композиция

Реферат

 

Использование: составы асфальтобетонных смесей для использования в дорожном, аэродромном строительстве и также для кровельных и гидроизоляционных работ. Сущность изобретения: асфальтобетонная композиция содержит, мас. %: черное органическое вяжущее 2 - 62; иловый осадок промышленных и коммунальных сточных вод или кондиционированный осадок промышленных и коммунальных сточных вод 2 - 38; щебень 0,01 - 37; песок остальное. При этом в качестве черного органического вяжущего используют нефтяной вязкий и нефтяной жидкий битумы. Использование асфальтобетонной композиции обеспечивает утилизацию отходов очистных сооружений. 6 з. п. ф-лы, 7 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления асфальтобетонных смесей и может быть использовано в дорожном и аэродромном строительстве, в производстве кровельных и гидроизоляционных материалов с черным органическим вяжущим.

Известна асфальтобетонная смесь горячего способа приготовления, включающая вязкий дорожный битум, минеральный наполнитель, щебень и песок [1] Следует отметить, что смеси горячего способа приготовления имеют недостаточно высокие прочностные параметры, особенно при повышенных (50^оС) температурах, в результате чего в летний период верхний слой дорожного покрытия подвергается размягчению, необратимой деформации и гофрировке, что приводит в конечном счете к ухудшению качества асфальта. Низкие прочностные показатели покрытий обусловлены в основном слабым сцеплением битума с поверхностью наполнителя. Указанные смеси обладают также низкой прочностью в водонасыщенном состоянии за счет большого (до 6 мас.) водопоглощения, что вызывает растрескивание покрытия в условиях знакопеременных перепадов температуры и требует ежегодных ремонтных работ, сопряженных со значительными материальными затратами.

Известна асфальтобетонная смесь холодного способа приготовления, включающая жидкий дорожный битум, минеральный порошок, щебеночные высевки и песок [2] Недостатком асфальтобетона из холодных смесей является низкий предел прочности при сжатии при 20^оС и в водонасыщенном состоянии, что исключает возможность его применения в строительстве высоконагруженных магистралей.

Следует также отметить, что одной из крупных проблем, стоящих перед дорожными строителями в настоящее время, является устойчивый дефицит минерального порошка (Фракции менее 0,071 мм), несмотря на достаточно широкий ассортимент материалов, допускаемых к применению (известняк или доломит, шлаки, зола и другие промышленные отходы). Частичное или полное прекращение поставок и относительно высокая стоимость минеральных порошков, обусловленные сокращением объемов их выпуска, стали лимитирующей стадией процесса производства асфальтобетона на заводах-изготовителях.

Известны технические решения, в которых в качестве минерального порошка, а частично и других неорганических компонентов асфальтобетона, в состав композиции вводятся следующие вторичные материалы: отходы фосфогипса в количестве 10,8-12,1 мас. измельченные отходы гальванического производства в количестве 10-14 мас. Однако, несмотря на то, что в случае использования отходов фосфогипса и гальванического шлака авторам удалось сохранить достаточно высокие физико-механические показатели и существенно удешевить производство дорожных покрытий, предел прочности при сжатии композиций при 0^оС оказался значительно ниже прочностных параметров, указанных в [1] Известны технические решения, показывающие целесообразность применения в качестве высокодисперсного минерального порошка таких вторичных продуктов, как смесь оксидов железа и хрома; смесь гашеной извести и каменной пыли; смесь необожженного портландцемента и гашеной извести, образующейся в производстве ацетилена из карбида кальция; пиритные огарки.

Известна асфальтобетонная смесь, включающая нефтяной битум, отходы ионообменных очистных установок и минеральный наполнитель, которая в качестве наполнителя содержит ваграночный шлак.

Известны технические решения, в которых с целью улучшения физико-механических показателей асфальтобетонных смесей в состав вводятся модифицирующие добавки, представляющие собой отходы различных производств.

Так, известна асфальтобетонная смесь, включающая нефтяной гудрон, минеральный наполнитель и в качестве структурирующей добавки отходы хлорных и хлорперерабатывающих заводов в виде водной пульпы.

Известна также асфальтобетонная смесь, включающая нефтяной битум, поверхностно-активную добавку, минеральный порошок и песок, которая с целью повышения тепло- и водоустойчивости асфальтобетона содержит в качестве поверхностно-активной добавки отходы ионообменных очистных установок.

Известно техническое решение, когда состав для дорожных покрытий, включающий битум, минеральный наполнитель и модифицирующую добавку, содержит в качестве модифицирующей добавки продукт физико-химической очистки сточных вод производства акрилонитрилбутадиенстирольных сополимеров.

Следует отметить, что применение перечисленных выше отходов в качестве минерального наполнителя и модифицирующих добавок ограничивается тем, что они являются продуктами специфических производства и не всегда широко доступны потенциальному потребителю.

Известно также дорожное покрытие, включающее черное органическое вяжущее, полученное из химически и термически обработанного осадка сточных вод, что позволяет удешевить процесс производства покрытий [3] Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является асфальтобетонная смесь [4] включающая битум, известняковый минеральный порошок и песок, которая в качестве известнякового минерального порошка содержит отход содового производства с содержанием хлоридов 2-3% при следующем соотношении компонентов, мас. песок 76-84; отход содового производства 10-16; битум дорожный 6-8.

Однако, как и в случае использования других видов отходов, описанных выше, применение отходов содового производства осложняется отсутствием данного сырья во многих промышленных регионах, а также узкой специфичностью назначения состава.

Прототипом к предлагаемому решению выбрана асфальтобетонная смесь, включающая, мас. щебень 35-48; песок 53-46; минеральный порошок 6-12 и сверх 100% минеральной части, битум 5,5-7,0 [5] Эта смесь взята в качестве наиболее близкого технического решения, так как она содержит наибольшее количество общих признаков с предлагаемой смесью.

Целью изобретения является расширение диапазона эксплуатационных свойств композиции, нахождение нового дешевого вида сырья и разрешение крупнейшей экологической проблемы утилизации отходов очистных сооружений.

Это достигается тем, что в асфальтобетонную композицию, включающую черное органическое вяжущее, минеральный порошок, щебень и песок, в качестве минерального порошка вводятся иловый осадок промышленных и коммунальных сточных вод или кондиционированный осадок промышленных и коммунальных сточных вод как при следующем соотношении компонентов: Черное органическое вяжущее 2-62 Указанный минеральный порошок 2-38 Щебень 0,01-37 Песок Остальное Кроме того, дополнительными изобретениями являются составы, имеющие различное предназначение.

Новым свойством осадка сточных вод является возможность его использования одновременно, как вяжущего, наполнителя и модифицирующей добавки. Неожиданным качеством предлагаемых продуктов илового осадка или кондиционированного осадка промышленных и коммунальных сточных вод несмотря на кажущуюся простоту, является его пригодность в приготовлении составов, к которым предъявляются высокие эксплуатационные требования, вплоть до применения в строительстве аэродромных и гидроизоляционных покрытий.

Варьирование процентным соотношением компонентов в асфальтобетонной смеси обусловливает различные ее свойства, что отражается на многопрофильном применении данной композиции. Преимуществом применения осадков сточных вод является наличие в их составах широкой номенклатуры органических, неорганических и полимерных веществ, что обеспечивает полифункциональное действие заявляемых материалов и позволяет создавать асфальтобетонные смеси с программируемыми свойствами при условии сбалансированности количеств остальных компонентов (наполнителей и вяжущего), входящих в состав композиций.

Прежде чем приступить к описанию экспериментальных результатов по определению эксплуатационных параметров асфальтобетонных композиций, представим сведения о химических составах и способах получения заявляемых продуктов.

Иловый (необработанный) осадок промышленных и коммунальных сточных вод образуется на иловых площадках городских очистных сооружений (станций аэрации) в результате естественной сушки и уплотнения после прохождения сточными водами стадий химической и биологической обработки. Иловый осадок сточных вод, формирующийся на иловых площадках, представляет собой текучую или пастообразную массу черного или темно-коричневого цвета.

Кондиционированный (обработанный) осадок сточных вод ("кек") образуется в результате химической обработки илового осадка: а) раствором гашеной извести (гидроксида кальция) с целью осаждения гидрооксидов и основных солей металлов, а также обеззараживания; б) раствором хлорида (сульфата) железа (III) с целью коагуляции полученного осадка, отстаивания и обезвоживания продукта вакуумной фильтрацией до остаточной влажности 75 5% Кондиционированный осадок представляет собой глиноподобную твердую массу светло-коричневого (бежевого) цвета.

Результаты сравнительного анализа химического состава и важнейшие физико-химические характеристики кондиционированного и исходного илового осадка сточных вод представлены в табл.1, 2, 3. Сопоставление данных табл. 1, 2, 3 позволяет сделать следующие выводы: иловый осадок сточных вод является исходным материалом для получения кондиционированного осадка ("кека") и служит источником содержания в последнем всех анализируемых катионов и анионов, а также органических компонентов; отличие по химическому составу состоит в том, что кондиционированный осадок ("кек") содеpжит больше труднорастворимых соединений кальция и железа (III), вводимых в иловый осадок при кондиционировании, т.е. имеющих искусственное происхождение (осаждение и коагуляция); зольность (содержание минеральных веществ) кондиционированного осадка ("кека"), равная 70 10% выше по сравнению с зольностью илового осадка (55 5%); влажность кека меньше, чем у илового осадка, хранящегося на иловых площадках, так как обезвоживается на вакуумных фильтрах.

Более высокое содержание труднорастворимых соединений кальция и железа (III) в кондиционированном осадке (кеке) повышенная зольность и меньшее содержание влаги позволяет теоретически прогнозировать более высокие физико-механические характеристики асфальтобетонных смесей с применением кека по сравнению с композициями, содержащими необработанный иловый осадок.

Принимая во внимание многокомпонентный состав заявляемых продуктов, представляющих собой комплексные органоминеральные системы, можно предположить, что механизм их влияния на свойства асфальтобетонов будет гораздо более сложным и многообразным, чем это имеет место в случае применения стандартного минерального порошка (известняка, доломита и др.) или вторичных продуктов с небольшим числом компонентов, представленных выше в качестве литературных аналогов. Поэтому осадки сточных вод однозначно следует отнести к категории комплексных полифункциональных составляющих асфальтобетонных смесей. Отдельные компоненты, например, гидроксиды кальция и железа [3] поверхностно-активные вещества, органические кислоты, входящие в состав кека, улучшают отдельные эксплуатационные характеристики кровельных и гидроизоляционных композиций на основе битума.

Иловый осадок и кек введением в асфальтобетонные смеси подвергались следующей обработке: сушка при 105-180^оС в течение 4 ч 20 мин соответственно механическое диспергирование до размера частиц в поперечнике менее 0,071 мм.

В табл.4 представлены соотношения компонентов и физико-механические характеристики асфальтобетонных композиций горячего способа приготовления, которые содержат обработанный осадок сточных вод (кек) (примеры VI-XIII) и иловый осадок (примеры XIV-XVII) и композиций аналогов (примеры I-V). В качестве вяжущего материала в заявляемых композициях использовался вязкий дорожный битум марки БНД 60/90, количество которого представлено в мас. сверх 10 мас. минеральной части, как это рекомендуется в ГОСТ 9128-84. (В дальнейших примерах данная система количественного содержания органического вяжущего по отношению к минеральной части сохраняется. Минеральная часть крупной фракции (5-10 мм) состояла из щебня Ивантеевского или Павловского и Озинского речного песка.

Сопоставление результатов испытаний физико-механических свойств заявляемых композиций с аналогами, представленных в табл.4, позволяет сделать следующие выводы: Введение кека обеспечивает заметное повышение основных прочностных показателей горячих асфальтобетонных смесей при 20^оС, 50^оС и водонасыщенном состоянии, несмотря на некоторое увеличение водонасыщения и набухания в отдельных сериях (пример vI), имеющее по-видимому происхождение от высокой пористости самого кека, о чем свидетельствует его невысокая плотность 650 кг/м³).

Однако при уменьшении количества вводимого кека до 7 мас. (пример VII) удается значительно снизить водонасыщение и набухание, сохраняя при этом повышенные прочностные свойства композций. Пределы прочности при сжатии асфальтобетонов при 0^оС (примеры VI-VIII) остаются на уровне композиций-аналогов. Причем, прочностные параметры заявляемых составов при 20^оС и 50^оС не зависят от качества щебеночного материала и сохраняют высокие значения при замене основного (щелочного) Ивантеевского щебня (примеры VI, VII) на Павловский щебень той же фракции, обладающий кислыми свойствами поверхности (пример IX). Отсюда можно предположить, что положительный эффект влияния кека связан с увеличением адгезионной прочности сцепления битума с поверхностью минеральных веществ независимо от ее качества.

Существенное (до 2 мас.) уменьшение содержания в асфальтобетонной смеси (пример VIII) равно как и заметное (до 38 мас.) увеличение его количества (пример IX) приводит к резкому снижению эксплуатационных характеров конечного пpодукта, Однако, значения этих параметров еще не выходят за рамки требований ГОСТ 9128-84. Как видно из данных табл.4 в случае содержаний кека в смеси менее 2 мас. (пример Х) или более 38 мас. (пример XI) физико-механические параметры уже не удовлетворяют требованиям указанного стандарта. Следовательно, указанные композиции не могут быть рекомендованы к внедрению в практике строительства дорог.

Физико-механические характеристики асфальтобетонов, содержащих 15 мас. илового осадка (пример XII), соответствуют требованиям ГОСТ 9128-84, что позволяет использовать композиции в производстве дорожных покрытий. Можно отметить, что эксплуатационные параметры композиций с кондиционированным осадком-кеком выше по сравнению с параметрами композиций с иловым осадком. Т. е. для практического использования предпочтение следует отдать кондиционированному осадку. Как видно из данных табл.4, границы применения илового осадка, также как и в случае кека, распространяются на следующие значения: минимальные 2 мас. (пример XV) и максимальные 38 мас. (пример XIV), что указывает на родственность их химических составов. Выход за пределы указанных количественных значений илового осадка в смесях приводит к резкому падению физико-химических параметров.

Увеличение содержания битума до 12 мас. при сохранении доли кека на уpовне 15 мас. (пример VIII) приводит к некоторому снижению прочностных параметров при 20, 50, 0^oС и в водонасыщенном состоянии. Однако введение избыточного количества битума нецелесообразно по экономическим соображениям. Уменьшение содержания битума менее 3 мас. не рекомендуется из-за резкого падения всего комплекса физико-механических показателей. Состав композиции с 2-3 мас. битума тем не менее может быть использован в практике проведения ремонтных работ дорожных одежд и тротуаров.

В табл. 5 (примеры III и IV) представлены составы и физико-механические характеристики асфальтобетонных композиций, приготовленных из холодных смесей на основе жидкого медленногустеющего битума марки МГ 70/130. Для сравнения приведены состав и свойства смесей, содержащих стандартной минеральный порошок ГОСТ 9126-84 (пример 1) и Красносарминский (населенный пункт Саратовской области) заполнитель (пример II). Сравнение данных табл.5 показывает, что в результате замены минерального порошка (пример II) на равное количество кека (пример III) наблюдается повышение предела прочности при сжатии асфальтобетона при 20^оС и в водонасыщенном состоянии при сохранении показателей водонасыщения, набухания и водостойкости на уровне стандарта (пример I). Одновременное уменьшение содержания кека и битума (пример IV, табл.5) позволяют сохранить высокие физико-механические параметры заявляемой холодной смеси и снизить величину набухания композиции по сравнению с примером II. Таким образом, показано, что и кек и иловый осадок могут быть использованы в производстве асфальтобетона холодного способа приготовления.

С целью расширения области применения композиций и проверки возможности получения универсальных составов были определены физико-механические параметры асфальтобетонов горячего способа приготовления, содержание 8 мас. различных видов черных органических вяжущих. Помимо композиций с дорожными битумами БНД 60/90 и МГ 70/130 (см.табл.4 и 5) исследовались составы с каменноугольным дегтем (ГОСТ 4641-80), гудроном (ГОСТ 22245-76), смолой сланцевой (лабораторный образец смолы, полученной из сланца Перелюбо-Благодатовского месторождения) (населенные пункты Саратовской области) и битумом строительным марки БН 90/10. Результаты испытаний образцов асфальтобетона с черными органическими вяжущими представлены в табл.6. Анализ данных табл.6 позволяет сделать вывод, что эксплуатационные характеристики композиций с указанными вяжущими соответствуют требованиям стандарта и могут быть рекомендованы к применению. Полученные результаты дают основание расширить ассортимент вяжущих материалов для асфальтобетонных композиций с кеком или иловым осадком и ввести обобщенное понятие "черное органическое вяжущее" в формулу изобретения.

Экспериментально установлено, что при увеличении количества черного вяжущего асфальтобетонная композиция приобретает свойства заливочной мастики горячего отверждения, предназначенной для ремонта дорожных одежд.

Так композиции состава, мас. 1. Щебеночные высевки 5 Песок 5 Кек 30 Черное вяжущее (дорожный битум) 60 II. Щебеночные высевки 10 Песок 10 Иловый осадок 18 Черное вяжущее (дорожн. битум) 62 являются прекрасными мастиками для проведения ремонта верхнего слоя асфальтобетонных покрытий (трещины, выбоины и т.д.).

Важнейшие характеристики горячих асфальтобетонных мастик, содержащих иловый осадок приведены в табл.6.

Указанные составы можно применять и в виде холодных смесей. Для этого на стадии смешивания компонентов в композицию следует добавить растворитель (уайтспирит, бензин, соляровая фракция, мазут и др.) или смесь отработанных растворителей, что особенно важно для решения задач экологии. Базовый состав асфальтобетонных ремонтных мастик может изменяться в широких пределах. При большом содержании кека и наполнителя, превышающем указанные в формуле количества, происходит седиментация твердых частиц, в вяжущем, мастика расслаивается, что приводит к ухудшению ее качества и ремонтной способности. В случае превышения содержания черного вяжущего (более 62 мас.) и уменьшения количеств кека и наполнителя ниже значений, указанных в формуле изобретения, наблюдается ухудшение ремонтных свойств асфальтобетонных мастик из-за быстрого проникновения расплавленного вяжущего в крупные и мелкие поры покрытия, подлежащего ремонту, Т.е. содержание мелких твердых частиц различного диаметра оказывается недостаточным для создания конструкционного каркаса и прочностные свойства покрытия оказываются неудовлетворительными. Кроме того, большой расход черного вяжущего нецелесообразно по экономическим соображениям.

Формула изобретения

1. АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ, включающая черное органическое вяжущее, минеральный порошок, щебень и песок, отличающаяся тем, что в качестве минерального порошка она содержит иловый осадок промышленных и коммунальных сточных вод или кондиционированный осадок промышленных и коммунальных сточных вод - кек при следующем соотношении компонентов, мас.%: Черное органическое вяжущее - 2 - 62 Указанный минеральный порошок - 2 - 38 Щебень - 0,01 - 37 Песок - Остальное 2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Черное органическое вяжущее - 3 - 60 Кек - 4 - 30 Щебень - 5 - 35 Песок - Остальное 3. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Черное органическое вяжущее - 5 - 17 Кек - 5 - 15 Щебень - 5 - 35 Песок - Остальное 4. Композиция по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве щебня она содержит щебеночные высевки фракции 0,5 - 5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: Черное органические вяжущее - 18 - 60 Кек - 16 - 30 Щебеночные высевки - 5 - 20 Песок - Остальное 5. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что в качестве черного органического вяжущего она содержит битум нефтяной вязкий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Битум нефтяной вязкий - 6 - 12 Кек - 5 - 15 Щебень - 15 - 35 Песок - Остальное 6. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что в качестве черного органического вяжущего она содержит битум нефтяной жидкий, а щебень фракции 5 - 10 мм дополнительно и щебеночные высевки фракции 1 - 5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: Битум нефтяной жидкий - 6 - 12 Кек - 5 - 15 Щебень - 15 - 25 Щебеночные высевки - 40 - 60 Песок - Остальное 7. Композиция по п.5, отличающаяся тем, что она содержит кондиционированный осадок промышленных и коммунальных сточных вод размером частиц менее 0,071 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9