RU2490226C1 - Полимерасфальтобетонная смесь - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, в частности к полимерасфальтобетонной смеси. Технический результат: долговечность покрытий из асфальтобетона в регионах, где температура воздуха наиболее холодных суток ниже -20°С и достигает температур -70°С, а расчетная температура сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий достигает 70°С. Полимерасфальтобетонная смесь на основе битума, блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол и минерального компонента содержит пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов и поверхностно-активное вещество. В качестве минерального компонента она содержит щебень, взятый в количестве от 53 мас.% до 65 мас.%, песок, взятый в количестве от 18 мас.% до 28 мас.%, минеральный порошок, взятый в количестве от 17 мас.% до 23 мас.%, а битум, блок-сополимер, пластификатор и поверхностно-активное вещество она содержит в суммарном количестве, составляющем 4,4-4,7% сверх массы названного минерального компонента, с которым они перемешаны в нагретом состоянии. При этом битум содержится в количестве от 47,0 до 90 мас.%, блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол в количестве от 2,0 до 7,0 мас.%, пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов в количестве от 6,5 до 50,0 мас.%, поверхностно-активное вещество в количестве от 0,4 до 0,9 мас.%. 3 з.п. ф-лы, 10 пр.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, точнее изобретение касается полимерасфальтобетонной смеси.

Изобретение найдет применение при дорожном строительстве - при устройстве покрытий в процессе строительства, реконструкции и ремонта дорог, мостов и аэродромов в регионах с температурным режимом, при котором температура воздуха наиболее холодных суток ниже минус 20°С и достигает температуры минус 70°С, а расчетная температура сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий достигает 70°С.

Уровень техники

В настоящее время существенные ежегодные убытки России, связанные с неудовлетворительным качеством дорог, ограничивающим скорость перемещения грузов, и с затратами на малоэффективные ремонты дорог, обусловливают настоятельную необходимость разработки дорожно-строительных материалов, которые позволили бы увеличить сроки бездефектной службы покрытий как на вновь построенных, так и на реконструированных и отремонтированных дорогах. При разработке таких материалов важно применять компонент, удовлетворяющие требованиям, которые продиктованы климатическими условиями и условиями движения автомобилей в районе эксплуатации дорожного покрытия.

Как известно, асфальтобетон - это упруговязкопластичный материал, который при понижении температуры переходит в упруговязкое, а затем в упругохрупкое состояние, а при повышении температуры сначала в вязкопластичное, а затем и в пластичное состояние.

В связи с этим при низких (и отрицательных) температурах на дорожном покрытии из асфальтобетона в связи с попеременным замораживанием и оттаиванием воды в его порах, связанным с частыми переходами температуры через 0°С, образуются шелушения, выкрашивания, а затем и выбоины, обусловленные недостаточной водо- и морозостойкость асфальтобетона из-за плохой адгезии битума к поверхности минеральных материалов кислых пород - щебня и песка. Кроме того, при этих температурах на асфальтобетонном покрытии образуется сетка трещин, связанная с недостаточной усталостной прочностью асфальтобетона и эластичностью битума, а также с ухудшением несущей способности дорожной одежды в связи с переувлажнением грунтов земляного полотна. При отрицательных температурах ниже температуры хрупкости битума (она, как правило, выше минус 20°С) образуются температурные трещины, способствующие попаданию значительного объема воды в поры материалов всей дорожной одежды. Кроме того, конструкция дорожной одежды начинает работать с прогибом под колесами автомобилей больше расчетного, что ведет к сокращению срока службы дороги и соответственно дорожного покрытия. Очевидно, что образование трещин на покрытии связано с температурой хрупкости. Когда материал переходит в хрупкое состояние, то первые же динамические воздействия от колес автомобилей быстро приводят к образованию трещин - сначала микротрещин в объеме асфальтобетона, а затем и поперечных трещин на дорожном покрытии. Поэтому за критерий начала образования трещин надо принимать наиболее низкую отрицательную температуру воздуха наиболее холодных суток в конкретном районе эксплуатации покрытия.

При этом все известные дорожно-строительные материалы не обеспечивают получение покрытий в регионах с температурным режимом, при котором температура воздуха наиболее холодных суток ниже минус 20°С и достигает температур ниже минус 70°С, а расчетная температура сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий достигает 70°С.

Так в RU, 2297990, МПК: С04В 26/26, опубл 27.04.2007, описана полимерасфальтобетонная смесь, включающая наполнитель, состоящий из щебня (64-68 мас.%), песка из отсевов дробления (16,5-18,0 мас.%) и минерального порошка (9,5-11,0 мас.%), полимерно-битумный компонент (6,0-6,5 мас.%) и стабилизирующую добавку - минеральные волокна асбеста (0,35-0,45 мас.%). Полимерно-битумный компонент содержит битум - 86-89 мас.%, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт - 2,5-5,0 мас.%, пластификатор - индустриальное масло - 5,5-7,5 мас.% и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество - 1-3 мас.%.

Указанный состав полимерно-битумного компонента обеспечивает получение продукта со свойствами, присущими эластомерам, что обеспечивает упругую деформативность, некоторое снижение хрупкости при низких температурах и одновременно повышение сдвигоустойчивости дорожного покрытия при высоких температурах эксплуатации дорожного покрытия, а также к некоторой его устойчивости к температурным и динамическим нагрузкам. Однако температура хрупкости такого материала составляет не ниже минус 22°С, что не актуально в условиях России, где температура наиболее холодных суток на 96% территорий ниже минус 25°С.

Известна полимерасфальтобетонная смесь, включающая наполнитель, состоящий из щебня, песка из отсевов дробления и активированного минерального порошка, полимерно-битумный компонент и стабилизирующую добавку - минеральные волокна асбеста ("Строительство дорожных и аэродромных покрытий из щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей". - М.: Издательство "Информавтодор", 2003. - с.2, 31-33, 39).

Недостатком указанной асфальтобетонной смеси является неудовлетворительная долговечность покрытия ввиду того, что полимерно-битумный компонент, входящий в состав асфальтобетонной смеси, имеет невысокую устойчивость к расслоению и неудовлетворительную адгезию с поверхностью наполнителя. В процессе эксплуатации дорожных покрытий на основе названной асфальтобетонной смеси происходит отслаивание полимерно-битумного компонента от щебня из-за динамических нагрузок, вызванных большегрузностью транспортных средств и высокой интенсивностью движения, а также в результате температурных нагрузок, вызванных высокими температурными перепадами, снижающими влагоустойчивость покрытия. Это ведет к разрушению целостности покрытия и, как следствие, к необходимости проведения ремонтных работ.

В качестве прототипа выбрана полимерасфальтобетонная смесь, используемая для устройства покрытия, обладающего некоторой трещиностойкостью в зимний период и сдвигоустойчивостью и прочностью в условиях летней эксплуатации (RU 2341480, МПК: С04В 26/26, опубл. 20.12.2008). Указанная смесь содержит минеральные компоненты - щебень, песок, минеральный порошок и полимерно-битумный компонент следующего состава, мас.%: битум «БНД90/130» - 87-91; стирол-бутадиен-стирольный блок-сополимер - 9-13. В целом полимерасфальтобетонная смесь содержит щебень в количестве 8-12 мас.%, песок в количестве 49-61 мас.%, минеральный порошок в количестве 19-26 мас.% и указанный полимерно-битумный компонент в количестве 9-15 мас.%.

Покрытие, полученное из указанной асфальтобетонной смеси, обладает достаточно высокой прочностью, сдвигоустойчивостью и водонепроницаемостью. Кроме того, указанная смесь обладает высокой подвижностью при температуре укладки и способна после распределения в полотне дорожного покрытия самовыравниваться и после остывания естественным образом формироваться в эластичный монолит повышенной плотности. Однако достигаемая трещиностойкость покрытия, полученного из указанной асфальтобетонной смеси, не обеспечивает способность дорожной конструкции долгосрочно воспринимать воздействие движущихся транспортных средств и низкотемпературных погодно-климатических факторов. Необходимо отметить, что для того, чтобы обеспечить высокую подвижность полимерасфальтобетонной смеси на основе такого высоковязкого полимерно-битумного компонента, ее температура должна быть не ниже 180-190°С, что приведет к его старению и деструкции входящего в его состав полимера. Кроме того, при указанном содержании полимера имеет место значительное удорожание полимерасфальтобетонной смеси, что практически исключает ее широкое применение в России.

Сущность изобретения

В основу заявляемого изобретения положена задача расширения арсенала технических средств для получения экономически привлекательных и долговечных дорожных, мостовых и аэродромных покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, в частности такими как трещиноустойчивость к температурным и динамическим нагрузкам, водонепроницаемость, прочность, сопротивляемость покрытия пластическим сдвиговым деформациям.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании предлагаемой полимерасфальтобетонной смеси, заключается в возможности создания экономичных, при этом долговечных, не подверженных трещинообразованию различного характера дорожных, мостовых и аэродромных покрытий в регионах, где температура воздуха наиболее холодных суток ниже минус 20°С и достигает температур минус 70°С, а расчетная температура сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий достигает 70°С.

Указанная задача решается за счет того, что полимерасфальтобетонная смесь на основе битума, блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол и минерального компонента, согласно изобретению, дополнительно содержит пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов, поверхностно-активное вещество, а в качестве минерального компонента содержит щебень, взятый в количестве от 53 мас.% до 65 мас.%, песок, взятый в количестве от 18 мас.% до 28 мас.%, минеральный порошок, взятый в количестве от 17 мас.% до 23 мас.%, а битум, блок-сополимер, пластификатор и поверхностно-активное вещество она содержит в суммарном количестве, составляющем 4,4-4,7% сверх массы названного минерального компонента, с которым они перемешаны в нагретом состоянии, при этом битум содержится в количестве от 47,0 до 90 мас.%, блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол в количестве от 2,0 до 7,0 мас.%, пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов в количестве от 6,5 до 50,0 мас.%, поверхностно-активное вещество в количестве от 0,4 до 0,9 мас.%.

Благодаря заявляемой полимерасфальтобетонной смеси стало возможно, что дорожное покрытие, выполненное из этой смеси, имеет многократно повышенную трещиностойкость, сдвигоустойчивостью, водо- и морозостойкость, усталостную прочность во всех климатических зонах при различных условиях движения любого колесного транспорта, то есть сохраняет работоспособность под действием нагрузок от колес транспортных средств в диапазоне эксплуатационных температур для конкретного участка дороги и не переходит в хрупкое состояние при низких отрицательных температурах, не переходит в текучее, вязкое реологическое состояние при расчетных, высоких положительных температурах дорожных покрытий.

Согласно изобретению, для повышения в десятки раз трещиноустойчивости к температурным и динамическим нагрузкам, водонепроницаемости и сопротивляемости полимерасфальтобетона, выполненного из полимерасфальтобетонной смеси, пластическим сдвиговым деформациям целесообразно, чтобы полимерасфальтобетонная смесь содержала щебень преимущественно фракций от 5 мм до 20 мм, при этом в качестве щебня она содержала щебень фракции 5 мм - 10 мм, взятый в количестве от 13 мас.% до 18 мас.%, щебень фракции 10 мм - 15 мм, взятый в количестве от 17 мас.% до 21 мас.%, щебень фракции 15 мм - 20 мм, взятый в количестве от 19 мас.% до 26 мас.%, что в сочетании с указанным полимерно-битумным компонентом обеспечивает в конкретных погодно-климатических и эксплуатационных условиях достижение требуемой трещиностойкости, сдвигоустойчивости, водо- и морозостойкости покрытий дорог, мостов, аэродромов.

В соответствии с заявляемым изобретением, преимущественно в качестве пластификатора на основе парафинонафтеновых углеводородов, полимерасфальтобетонная смесь содержит индустриальное масло.

Дальнейшие цели и преимущества заявляемого изобретения станут ясны из последующего подробного описания полимерасфальтобетонной смеси и конкретных примеров ее выполнения.

Подробное описание изобретения

Согласно заявляемому изобретению, разработана полимерасфальтобетонная смесь, которая содержит минеральный компонент и полимерно-битумный компонент, включающий блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол, битум, пластификатор и поверхностно-активное вещество, взятый в количестве 4,4-4,7% сверх массы минерального компонента и перемешанный с ним в нагретом состоянии.

Заявляемая уплотненная полимерасфальтобетонная смесь представляет собой высокоплотный полимерасфальтобетон, в котором структура полимерно-битумного компонента оказывает существенное влияние на его физико-механические свойства, а именно высокоплотный полимерасфальтобетон имеет высокую прочность при сжатии, а также повышенную трещиностойкость, сдвигоустойчивость, водо- и морозостойкость, усталостную прочность во всех климатических зонах и при различных условиях движения различного транспорта. Исследования показали, что именно увеличение вязкости полимерно-битумного компонента повышает прочностные характеристики материала на его основе; полимерно-битумный компонент на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол характеризуются наличием развитой полимерной пространственной структурной сетки, которая оказывает влияние на деформационные и прочностные свойства материала на его основе.

Полимерно-битумный компонент, входящий в состав разработанной полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующий состав, мас.%: битум - от 47,0 до 90,0, блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол - от 2,0 до 7,0, пластификатор, в основном индустриальное масло, содержащее не менее 70% парафинонафтеновых углеводородов - от 6,5 до 50, поверхностно-активное вещество - 0,4-0,9.

Содержание в полимерно-битумном компоненте до 50,0 мас.% пластификатора, такого как индустриальное масло, обеспечивает при невысоком содержании полимера в десятки раз повышение долговременной прочности при низких температурах полимерасфальтобетона и повышение в несколько раз его усталостной прочности при высоких положительных температурах.

В качестве битума полимерно-битумный компонент может содержать, например, битумы нефтяные дорожные вязкие марок БНД по ГОСТ 22245; в качестве блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол может содержать блоксополимеры типа стирол-бутадиен-стирол в виде порошка или крошки марки ДСТ-30Р-01, ДСТ-30-01, марок Финапрен 502 или Финапрен 411 фирмы «Петрофина», Кратон Д 1101, Кратон Д 1184, Кратон Д 1186 фирмы «Шелл», Европрен Сол Т 161 фирмы «Эникем», Калпрен 411 фирмы «Репсол»; в качестве пластификатора, включающего не менее 70% парафинонафтеновых углеводородов, полимерно-битумный компонент может содержать парафино-нафтеновые нефтяные масла, сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов по ТУ 38 101582-88 или смеси масла и сырья, но преимущественно масла индустриальные марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А по ГОСТ 20799; в качестве поверхностно-активного вещества может содержать поверхностно-активные вещества двойного действия, предпочтительно с активными малеиновыми группами, а преимущественно продукт Техпрогресс-1 («Т-1»)по ТУ 0257-012-33452160-2005.

Определено, что техническим параметром полимерно-битумного компонента, характеризующим его переход в упругохрупкое реологическое состояние, и связанным с трещиностойкостью полимерасфальтобетона или асфальтобетона при отрицательных температурах является температура хрупкости по Фраасу - температура хрупкости по Фраасу оказывает определяющее влияние на трещиностойкость дорожного покрытия на основе такого полимерно-битумного компонента при отрицательных (низких) температурах.

Техническим параметром полимерно-битумного компонента, характеризующим усталостную и долговременную прочность материалов на его основе, который продиктован условиями движения автомобилей, а именно интенсивностью и грузонапряженностью, является показатель эластичности.

Определено, что увеличение показателя эластичности полимерно-битумного компонента приводит к повышению усталостной прочности дорожных покрытий, выполненных из материалов на основе такого продукта.

Техническим параметром полимерно-битумного компонента, характеризующим сдвигоустойчивость дорожного покрытия, является его температура размягчения.

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие основные характеристики: температуру хрупкости по Фраасу от минус 22°С до минус 70°С при температуре размягчения от 52°С до 70°С; условную вязкость (П-пенетрация, 0,1 мм) при 25°С в пределах от 100·0,1 мм до 450·0,1 мм, а при 0°С - в пределах от 50·0,1 мм до 300·0,1 мм и эластичность не менее 85%. Указанный комплекс основных показателей полимерно-битумного компонента обеспечивает сохранение его работоспособности во всем диапазоне эксплуатационных температур, в котором работает полимерасфальтобетон на его основе, в том числе трещиноустойчивость к температурным и динамическим нагрузкам, водонепроницаемость и сопротивляемость покрытия из полимерасфальтобетона пластическим сдвиговым деформациям. При этом полимерно-битумный компонент указанного состава /благодаря низкой условной вязкости/ обеспечивает высокую удобоукладываемость и уплотняемость полимерасфальтобетонной смеси при общепринятых для асфальтобетонных смесей температурных режимах.

Определено, что структура такого полимерно-битумного компонента характеризуется наличием пространственной структурной сетки из макромолекул блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол. Работоспособность пространственной сетки определяет работоспособность полимерно-битумного компонента и все его свойства, свидетельствующие о его преимуществах и особенностях. Исследованиями установлено, что для того, чтобы пространственная структурная сетка работала, она должна находиться в такой среде, которая позволяет макромолекулам сетки изменять свои конформации. В том случае, когда среда застеклована, то есть перешла в хрупкое состояние, пространственная структурная сетка перестает работать - превращается в наполнитель, поэтому для обеспечения эффективной работы структурной сетки (со)полимера в условиях, когда дисперсионная среда (в данном случае битумная среда) перешла в хрупкое состояние, необходимо изменять ее состав так, чтобы сохранить подвижность структурной сетки полимера, ее работоспособность. Таким образом, было установлено: чтобы при низких отрицательных температурах дисперсионная среда полимерно-битумного компонента не переходила в хрупкое стеклообразное, состояние необходимо введение пластификатора определенного состава, тем в большем количестве, чем ниже температура, при которой предполагается применять полимерасфальтобетонную смесь на основе названного полимерно-битумного компонента.

Как указано выше, вышеуказанный полимерно-битумный компонент содержит пластификатор, включающий преимущественно не менее 70% парафинонафтеновых углеводородов, в количестве, достигающем 50 мас.%, что создает условия для обеспечения максимально возможной эффективности структурной сетки из макромолекул полимера при различных температурах применения полимерасфальтобетонной смеси на основе названного полимерно-битумного компонента. Ввиду важнейшей роли названного пластификатора можно говорить, что именно пластификатор в указанном количестве существенно обеспечивает названное значение температуры хрупкости заявляемой полимерасфальтобетонной смеси и одновременно требуемое (достигнутое) значение температуры размягчения, эластичности при сохранении уровня требуемых при работе с дорожными битумами пожарной безопасности и токсичности.

При содержании в заявляемой полимерасфальтобетонной смеси блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол в количестве менее 2,0 мас.% наблюдают снижение эластичности - менее(не более) 85% при 25°С и при 0°С, а при содержании блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол в количестве более 7,0 мас.% имеет место существенное удорожание полимерасфальтобетонной смеси, что значительно снижает область ее применения, так как блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол является наиболее дорогостоящим ингредиентом заявляемой полимерасфальтобетонной смеси.

При содержании в заявляемой полимерасфальтобетонной смеси битума в количестве более 90,0 мас.% не удается получить минимально требуемое значение температуры хрупкости по Фраасу - минус 22°С, а при содержании битума менее 47,0 мас.% - не удается получить минимально требуемое значение температуры размягчения - 52°С.

При содержании в заявляемой полимерасфальтобетонной смеси поверхностно-активного вещества более 0,9 мас.% наблюдается ухудшение достигнутого показателя сцепления полимерно-битумного компонента с поверхностью минерального компонента дорожно-строительных материалов и связанное с этим ухудшение водо- и морозостойкости полимерасфальтобетона, выполненного из заявляемой полимерасфальтобетонной смеси, а при содержании поверхностно-активного вещества менее 0,4 мас.% не удается достигнуть требуемый показатель сцепления с поверхностью минерального компонента.

При содержании в заявляемой полимерасфальтобетонной смеси пластификатора в количестве от 6,5 до 50 мас.% создают условия для обеспечения максимально возможной эффективности структурной сетки из макромолекул полимера при различных температурах применения полимерасфальтобетонной смеси. Ввиду важнейшей роли пластификатора можно говорить, что именно пластификатор в указанном количестве существенно обеспечивает названное значение температуры хрупкости заявляемой полимерасфальтобетонной смеси и одновременно требуемое (достигнутое) значение температуры размягчения, эластичности при сохранении уровня требуемых при работе с дорожными битумами пожарной безопасности и токсичности.

Достигнутые показатели заявляемого продукта свидетельствуют, что входящий в его состав полимерно-битумный компонент при указанном соотношении ингредиентов: битума, полимера, пластификатора и поверхностно-активного вещества характеризуется максимально возможной способностью к обратимым (упругим) эластическим деформациям в процессе деформирования под действием колес как грузовых, так и легковых автомобилей во всем диапазоне эксплуатационных температур, а дорожное покрытие на основе заявленного продукта сохраняет работоспособность под действием многократных нагрузок от колес автомобилей и не переходит в хрупкое состояние при низких отрицательных температурах и не переходит в текучее, вязкое реологическое состояние при высоких положительных температурах асфальтобетонных покрытий.

В качестве минерального компонента заявляемая полимерасфальтобетонная смесь преимущественно содержит щебень фракций от примерно 5 мм до примерно 20 мм, песок и минеральный порошок. Минеральный компонент имеет следующий состав: щебень взятый в количестве 53-65 мас.%, в том числе щебень фракции 5 мм - 10 мм, взятый в количестве 13-18 мас.%, щебень фракции 10 мм - 15 мм, взятый в количестве 17-21 мас.%, щебень фракции 15 мм - 20 мм, взятый в количестве 19-26 мас.%, песок, взятый в количестве 18-28 мас.%, минеральный порошок, взятый в количестве 17-23 мас.%.

Полимерасфальтобетонная смесь содержит щебни из плотных горных пород и из металлургических шлаков, которые по зерновому составу, прочности, содержанию пылевидных и глинистых частиц, содержанию глины в комках соответствуют требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 3344. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в щебне, как правило, составляет не более 10 мас.%. Марка щебня из осадочных горных пород не ниже 1200.

Полимерасфальтобетонная смесь содержит песок природный и из отсевов дробления горных пород, который соответствует требованиям ГОСТ 8736. Марка песка из отсевов дробления по прочности не ниже 1000, содержание глинистых частиц, определяемых методом набухания, не более 0,5%; общее содержание зерен менее 0,16 мм не нормируется.

Полимерасфальтобетонная смесь содержит минеральный порошок, отвечающий требованиям ГОСТ Р 52129, предъявляемым к марке МП-1.

Заявляемая уплотненная полимерасфальтобетонная смесь представляет собой высокоплотный полимерасфальтобетон, в котором структура полимерно-битумного компонента оказывает существенное влияние на его физико-механические свойства.

Исследованиями установлена взаимосвязь между температурой хрупкости по Фраасу полимерно-битумного компонента и трещиностойкостью полимерасфальтобетонов при отрицательных температурах, которая описывается уравнениями линейной регрессии между температурой хрупкости по Фраасу и показателем предела прочности при сжатии полимерасфальтобетона при 0°С с высоким коэффициентом парной корреляции, равным 0,87.

Исследованиями установлена взаимосвязь между температурой хрупкости по Фраасу полимерно-битумного компонента и трещиностойкостью полимерасфальтобетонов при отрицательных температурах, характеризуемой температурой хрупкости, которая описывается уравнением линейной регрессии между температурой хрупкости по Фраасу полимерно-битумного компонента и температурой хрупкости полимерасфальтобетонов с очень высоким коэффициентом парной корреляции, равным 0,91, что свидетельствует об определяющем влиянии качества полимерно-битумного компонента, в частности его температуры хрупкости по Фраасу, на трещиностойкость материала дорожного покрытия.

Исследованиями установлено, что из двух факторов, определяющих значение показателя усталостной прочности полимерасфальтобетона - вязкости полимерно-битумного компонента и его эластичности, вклад эластичности в показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона составляет в среднем для маловязких полимерно-битумных компонентов от 43% до 67%, а для высоковязких - от 39% до 78%, то есть наибольший вклад эластичности наблюдается для полимерасфальтобетона на основе маловязкого полимерно-битумного компонента.

Исследованиями установлено, что вклад эластичности полимерно-битумного компонента в число циклов до разрушения дорожного покрытия из полимерасфальтобетона при изучении многоцикловой усталости- долговременной прочности при 10°С составляет более 96%.

Исследованиями установлена требуемая температура трещиностойкости полимерасфальтобетона и рассчитана требуемая температура хрупкости полимерно-битумного компонента, позволяющего обеспечить это требование; также определена расчетная температура сдвигоустойчивости полимерасфальтобетонных покрытий и необходимая для обеспечения этих требований температура размягчения полимерно-битумного компонента.

В итоге для применения заявленной полимерасфальтобетонной смеси для покрытий автомобильных дорог в различных климатических условиях в рамках заявленного соотношения составляющих ее компонентов могут быть подобраны состав, структура и свойства полимерно-битумного компонента, которые обеспечивают требуемые значения его температур хрупкости и размягчения, а также состав и свойства полимерасфальтобетонных смесей, которые обеспечат требуемую сдвигоустойчивость, трещиностойкость, водо- и морозостойкость дорожных покрытий в различных регионах, в том числе России, различающихся климатическими условиями, в частности температурой воздуха наиболее холодных суток.

Температура трещиностойкости для заявленного высокоплотного полимерасфальтобетона находится в пределах от минус 20°С до минус 60°С, то есть не выше температуры воздуха наиболее холодных суток рассмотренных регионов России, что гарантирует требуемую трещиностойкость дорожных покрытий с применением этого материала во всех регионах России.

Оптимальные составы высокоплотных полимерасфальтобетонов, выполненных из заявляемой полимерасфальтобетонной смеси требуемого качества, пригодные для устройства верхнего слоя покрытия во всем диапазоне рассмотренных климатических условий, содержат, как указано выше, от 53 мас.% до 65 мас.% щебня, от 18 мас.% до 28 мас.% песка, от 17 мас.% до 23 мас.% минерального порошка и полимерно-битумный компонент в количестве от 4,4 до 4,7% сверх массы минерального компонента. При наиболее низких температурах воздуха наиболее холодных суток - ниже минус 40°С целесообразно применение полимерно-битумного компонента с минимальной вязкостью, что и вызывает необходимость развивать минеральный остов полимерасфальтобетонной смеси и одновременно увеличивать степень структурированности полимерно-битумного компонента. Для таких температурных условий целесообразно, чтобы в полимерасфальтобетонной смеси, характеризующейся повышенной пористостью минерального остова, содержание щебня составляло около 61 мас.% (преимущественно наиболее крупной фракции) и минерального порошка - около 20 мас.%, содержание природного песка, который отрицательно влияет на сдвигоустойчивость покрытия, около 19 мас.% при неизменном содержании полимерно-битумного компонента с условной вязкостью около 340.01 мм.

Высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из заявляемой полимерасфальтобетонной смеси, характеризуется низкими значениями остаточной пористости (1,5%-1,8%), водонасыщения (1,0%-1,5%) и достаточно высокими объемами замкнутых пор (15,0%-40,0%), что и объясняет его высокую водостойкость, в том числе при длительном водонасыщении, и морозостойкость. Максимальный объем замкнутых пор в таком полимерасфальтобетоне характерен для регионов с температурой воздуха наиболее холодных суток в пределах от минус 43°С до минус 32°С.

Полимерасфальтобетон, образуемый при уплотнении заявляемой полимерасфальтобетонной смеси, характеризуется следующими показателями: предел прочности при сжатии при температуре 50°С - 1,2-1,4 МПа; предел прочности при сжатии при температуре 20°С - 2,5-4,0 МПа; предел прочности при сжатии при температуре 0°С - 6,0-8,0 МПа; водостойкость - 0,95-0,96; водостойкость при длительном водонасыщении - 0,90-0,95; трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С и скорости деформирования 50 мм/мин - 3,0-4,5 МПа; сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения - 0,91-0,95; сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50°С - 0,29-0,35 МПа; температурой трещиностойкости - от минус 20°С до минус 60°С; температурой хрупкости - от минус 25°С до минус 65°С; коэффициентом морозостойкости после 50 циклов замораживания и оттаивания от 0,75 до 0,90.

Для обеспечения названных сдвигоустойчивости и трещиностойкости высокоплотных полимерасфальтобетонов, образуемых при уплотнении заявляемой полимерасфальтобетонной смеси, оптимальные составы полимерно-битумного компонента в заявленном диапазоне характеризуются следующими основными эксплуатационными показателями: температурами размягчения в пределах от 52°С до 70°С и температурами хрупкости по Фраасу в пределах от минус 22°С до минус 70°С. Кроме того, в связи с тем, что указанный полимерно-битумный компонент при высоких значениях температуры размягчения характеризуется достаточно низкой условной вязкостью (высокой пенетрацией (глубиной проникания иглы) при 25°С (126.01 мм - 340.01 мм) и при 0°С (68.01 мм - 252.01 мм)), обеспечена возможность получить полимерасфальтобетонные смеси с высокой удобоукладываемостью и уплотняемостью, а после уплотнения полимерасфальтобетон с высокой сдвигоустойчивостью при высоких положительных температурах и одновременно с высокой пластичностью и долговременной прочностью при низких температурах и требуемой высокой трещиностойкостью при отрицательных температурах.

В связи с тем, что полимерно-битумный компонент, входящий в состав заявляемой полимерасфальтобетонной смеси, характеризуется высокой эластичностью - не менее 85%, возможно в десятки раз повысить долговременную прочность дорожного материала на его основе, используемого для устройства дорожных, мостовых, аэродромных покрытий, при низких температурах и в несколько раз повысить усталостную прочность при высоких положительных температурах.

Благодаря заявляемой полимерасфальтобетонной смеси стало возможно, чтобы дорожное покрытие на дорогах, мостах и аэродромах, выполненное из этой смеси, имело требуемую высокую трещиностойкость, сдвигоустойчивостью, водо- и морозостойкость, усталостную прочность во всех климатических зонах при различных условиях движения любого колесного транспорта, то есть сохраняло работоспособность под действием многократных нагрузок от колес транспортных средств в диапазоне эксплуатационных температур для конкретного участка дороги и не переходило в хрупкое состояние при низких отрицательных температурах, не переходило в текучее, вязкое реологическое состояние при расчетных, высоких положительных температурах полимерасфальтобетонных покрытий.

Пример 1

Полимерно-битумный компонент, содержащий 45,1 мас.% битума БНД 60/90; 4,0 мас.% блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30Р-01; 50,0 мас.% индустриального масла марки И-40А; 0,9 мас.% поверхностно-активного вещества марки «Техпрогресс-1».

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие физико-механические показатели: глубина проникания иглы при 25°С - 446.0,1 мм, при 0°С - 292 мм; растяжимость при 25°С - 32 см, при 0°С - 36 см; температура размягчения - 61°С; температура хрупкости - минус 69°С; температура вспышки - 232°С; эластичность при 25°С - 100%; при 0°С - 99%.

Указанный продукт предпочтителен для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 57°С.

Пример 2

Полимерно-битумный компонент, содержащий 47 мас.% битума БНД 60/90; 7,0 мас.% блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30Р-01; 45,5 мас.% индустриального масла марки И-40А; 0,5 мас.% поверхностно-активного вещества марки «Техпрогресс-1».

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие физико-механические показатели: глубина проникнания иглы при 25°С - 376.0,1 мм, при 0°С - 233.0,1 мм; растяжимость при 25°С - 36 см, при 0°С - 42 см; температура размягчения - 69°С; температура хрупкости - минус 62°С; температура вспышки - 236°С; эластичность при 25°С - 100%; при 0°С - 100%.

Указанный продукт предпочтителен для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 54°С.

Пример 3

Полимерно-битумный компонент, содержащий 65,64 мас.% битума БНД 60/90; 3,8 мас.% блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30Р-01; 30,0 мас.% индустриального масла марки И-40А; 0,56 мас.% поверхностно-активного вещества марки «Техпрогресс-1».

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие физико-механические показатели: глубина проникания иглы при 25°С - 253.0,1 мм, при 0°С - 188.0,1 мм; растяжимость при 25°С - 34 см, при 0°С - 56 см; температура размягчения - 61°С; температура хрупкости - минус 51°С; температура вспышки - 242°С; эластичность при 25°С - 99%; при 0°С - 95%.

Указанный продукт предпочтителен для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 42°С.

Пример 4

Полимерно-битумный компонент, содержащий 75,24 мас.% битума БНД 60/90; 4,2 мас.% блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30Р-01; 20,0 мас.% индустриального масла марки И-40А; 0,56 мас.% поверхностно-активного вещества марки «Техпрогресс-1».

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие физико-механические показатели: глубина проникания иглы при 25°С - 161.0,1 мм, при 0°С - 96.0,1 мм; растяжимость при 25°С - 43 см, при 0°С - 56 см; температура размягчения - 63°С; температура хрупкости - минус 39°С; температура вспышки - 260°С; эластичность при 25°С - 99%; при 0°С - 92%.

Указанный продукт предпочтителен для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 33°С.

Пример 5

Полимерно-битумный компонент, содержащий 87,6 мас.% битума БНД 60/90; 2,0 мас.% блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30Р-01; 10,0 мас.% индустриального масла марки И-40А; 0,4 мас.% поверхностно-активного вещества марки «Техпрогресс-1».

Полимерно-битумный компонент указанного состава имеет следующие физико-механические показатели: глубина проникания иглы при 25°С - 126.0,1 мм, при 0°С - 68.0,1 мм; растяжимость при 25°С - 46 см, при 0°С - 36 см; температура размягчения - 55°С; температура хрупкости - минус 24°С; температура вспышки - 260°С; эластичность при 25°С - 91%; при 0°С - 87%.

Указанный продукт предпочтителен для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 19°С.

Пример 6

Полимерасфальтобетонная смесь, содержащая полимерно-битумный компонент, имеющий состав, аналогичный указанному в примере 1, взятый в количестве 4,5 мас.% сверх минеральной части - щебень фракции 15-20 мм в количестве 26 мас.%; щебень фракции 10-15 мм в количестве 21 мас.%; щебень фракции 5-10 мм в количестве 18 мас.%; песок в количестве 18 мас.%; минеральный порошок в количестве 17 мас.%.

Полимерасфальтобетон, образованный в результате уплотнения этой полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 50°С - 1,24 МПа; предел прочности при сжатии при 20°С - 2,52 МПа; предел прочности при сжатии при 0°С - 6,0 МПа; предел прочности при растяжении - 3,2 МПа; усталостная прочность при 50°С - 12 циклов; глубина вдавливания штампа, определяемая при 50°С в течение 30 минут - 1,15 мм; температура трещиностойкости - минус 50°С; температура хрупкости - минус 55°С; коэффициент морозостойкости при 50°С - 0,77. Кроме этого, высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из указанной смеси, имеет следующие характеристики поровой структуры: пористость минерального остова - 12,7%, остаточная пористость - 1,8%, водонасыщение - 1,50%, набухание - 0%, объем замкнутых пор - 16,7%.

За температуру хрупкости полимерасфальтобетона принимали температуру, при которой появлялись трещины хотя бы на одной из шести плиточек, изготовленных из этой полимерасфальтобетонной смеси, в условиях их изгиба при постепенном (периодическом) понижении температуры со скоростью 10°С/час. Плиточки изгибали на шаблоне, обеспечивающем прогиб, равный 0,69 мм.

Указанная методика, наряду с получением показателя температуры хрупкости, позволяет определить и температуру трещиностойкости, то есть температуру, при которой все шесть испытываемых балочек выдерживают испытания без образования трещин.

Показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона определяли по количеству циклов нагружений образца, изготовленного из указанной полимерасфальтобетонной смеси, до его полного разрушения при заданном напряжении. Для этого образец нагружали при 50°С под давлением 10 кг/см² в течение 1 минуты, затем нагрузку снимали на 5 минут, это составляет один цикл.

Указанная смесь предпочтительна для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 49°С.

Пример 7

Полимерасфальтобетонная смесь, содержащая полимерно-битумный компонент, имеющий состав, аналогичный указанному в примере 2, взятый в количестве 4,4 мас.% сверх минеральной части - щебень фракции 15-20 мм в количестве 23 мас.%; щебень фракции 10-15 мм в количестве 19 мас.%; щебень фракции 5-10 мм в количестве 15 мас.%; песок в количестве 20 мас.%; минеральный порошок в количестве 23 мас.%.

Полимерасфальтобетон, образованный в результате уплотнения этой полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 50°С - 1,28 МПа; предел прочности при сжатии при 20°С - 3,9 МПа; предел прочности при сжатии при 0°С - 7,8 МПа; предел прочности при растяжении - 3,4 МПа; усталостная прочность при 50°С - 14 циклов; глубина вдавливания штампа, определяемая при 50°С в течение 30 минут - 1,02 мм; температура трещиностойкости - минус 45°С; температура хрупкости - минус 50°С; коэффициент морозостойкости при 50°С - 0,82. Кроме этого, высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из указанной смеси, имеет следующие характеристики поровой структуры: пористость минерального остова - 12,4%, остаточная пористость - 1,8%, водонасыщение - 1,45%, набухание - 0%, объем замкнутых пор - 19,4%.

Температуру хрупкости, температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона, показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона определяли так, как это указано в примере 6.

Указанная полимерасфальтобетонная смесь предпочтительна для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 45°С.

Пример 8

Полимерасфальтобетонная смесь, содержащая полимерно-битумный компонент, имеющий состав, аналогичный указанному в примере 3, взятый в количестве 4,5 мас.% сверх минеральной части - щебень фракции 15-20 мм в количестве 19 мас.%; щебень фракции 10-15 мм в количестве 21 мас.%; щебень фракции 5-10 мм в количестве 17 мас.%; песок в количестве 25 мас.%; минеральный порошок в количестве 18 мас.%.

Полимерасфальтобетон, образованный в результате уплотнения этой полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 50°С - 1,32 МПа; предел прочности при сжатии при 20°С - 3,46 МПа; предел прочности при сжатии при 0°С - 7,5 МПа; предел прочности при растяжении - 3,5 МПа; усталостная прочность при 50°С - 12 циклов; глубина вдавливания штампа, определяемая при 50°С в течение 30 минут - 1,4 мм; температура трещиностойкости - минус 45°С; температура хрупкости - минус 50°С; коэффициент морозостойкости при 50°С - 0,85. Кроме этого, высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из указанной смеси, имеет следующие характеристики поровой структуры: пористость минерального остова - 12,4%, остаточная пористость - 1,8%, водонасыщение-1,10%, набухание - 0%, объем замкнутых пор - 38,9%.

Температуру хрупкости, температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона, показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона определяли так, как это указано в примере 6.

Указанная полимерасфальтобетонная смесь предпочтительна для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 42°С.

Пример 9

Полимерасфальтобетонная смесь, содержащая полимерно-битумный компонент, имеющий состав, аналогичный указанному в примере 4, взятый в количестве 4,5 мас.% сверх минеральной части - щебень фракции 15-20 мм в количестве 22 мас.%; щебень фракции 10-15 мм в количестве 18 мас.%; щебень фракции 5-10 мм в количестве 16 мас.%; песок в количестве 26 мас.%; минеральный порошок в количестве 18 мас.%.

Полимерасфальтобетон, образованный в результате уплотнения этой полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 50°С - 1,26 МПа; предел прочности при сжатии при 20°С - 3,6 МПа; предел прочности при сжатии при 0°С - 8,0 МПа; предел прочности при растяжении - 3,6 МПа; усталостная прочность при 50°С - 18 циклов; глубина вдавливания штампа, определяемая при 50°С в течение 30 минут - 0,78 мм; температура трещиностойкости - минус 35°С; температура хрупкости - минус 40°С; коэффициент морозостойкости при 50°С - 0,87. Кроме этого, высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из указанной смеси, имеет следующие характеристики поровой структуры: пористость минерального остова - 12,3%, остаточная пористость - 1,8%, водонасыщение - 1,30%, набухание - 0%, объем замкнутых пор - 27,8%.

Температуру хрупкости, температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона, показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона определяли так, как это указано в примере 6.

Указанная полимерасфальтобетонная смесь предпочтительна для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 33°С.

Пример 10

Полимерасфальтобетонная смесь, содержащая полимерно-битумный компонент, имеющий состав, аналогичный указанному в примере 5, взятый в количестве 4,7% сверх минеральной части - щебень фракции 15-20 мм в количестве 23 мас.%; щебень фракции 10-15 мм в количестве 17 мас.%; щебень фракции 5-10 мм в количестве 13 мас.%; песок в количестве 28 мас.%; минеральный порошок в количестве 19 мас.%.

Полимерасфальтобетон, образованный в результате уплотнения этой полимерасфальтобетонной смеси, имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 50°С - 1,34 МПа; предел прочности при сжатии при 20°С - 3,73 МПа; предел прочности при сжатии при 0°С - 8,2 МПа; предел прочности при растяжении - 4,4 МПа; усталостная прочность при 50°С - 21 цикл; глубина вдавливания штампа, определяемая при 50°С в течение 30 минут - 0,45 мм; температура трещиностойкости - минус 20°С; температура хрупкости - минус 25°С; коэффициент морозостойкости при 50°С - 0,88. Кроме этого, высокоплотный полимерасфальтобетон, выполненный из указанной смеси, имеет следующие характеристики поровой структуры: пористость минерального остова - 12,7%, остаточная пористость - 1,5%, водонасыщение - 1,00%, набухание - 0%, объем замкнутых пор - 33,03%.

Температуру хрупкости, температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона, показатель усталостной прочности полимерасфальтобетона определяли так, как это указано в примере 6.

Указанная полимерасфальтобетонная смесь предпочтительна для использования в районах с температурой воздуха наиболее холодных суток, равной минус 19°С.

Claims (4)

1. Полимерасфальтобетонная смесь на основе битума, блок-сополимера типа стирол-бутадиен-стирол и минерального компонента, отличающаяся тем, что дополнительно она содержит пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов и поверхностно-активное вещество, в качестве минерального компонента она содержит щебень, взятый в количестве от 53 мас.% до 65 мас.%, песок, взятый в количестве от 18 мас.% до 28 мас.%, минеральный порошок, взятый в количестве от 17 мас.% до 23 мас.%, а битум, блок-сополимер, пластификатор и поверхностно-активное вещество она содержит в суммарном количестве, составляющем 4,4-4,7% сверх массы названного минерального компонента, с которым они перемешаны в нагретом состоянии, при этом битум содержится в количестве от 47,0 до 90 мас.%, блок-сополимер типа стирол-бутадиен-стирол в количестве от 2,0 до 7,0 мас.%, пластификатор на основе парафинонафтеновых углеводородов в количестве от 6,5 до 50,0 мас.%, поверхностно-активное вещество в количестве от 0,4 до 0,9 мас.%.

2. Полимерасфальтобетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве щебня она содержит щебень фракций от 5 мм до 20 мм.

3. Полимерасфальтобетонная смесь по п.2, отличающаяся тем, что в качестве щебня она содержит щебень фракции 5 мм - 10 мм, взятый в количестве от 13 мас.% до 18 мас.%, щебень фракции 10 мм - 15 мм, взятый в количестве от 17 мас.% до 21 мас.%, щебень фракции 15 мм - 20 мм, взятый в количестве от 19 мас.% до 26 мас.%.

4. Полимерасфальтобетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве пластификатора на основе парафинонафтеновых углеводородов она содержит индустриальное масло.