RU2787268C1

RU2787268C1 - Asphalt concrete mix containing a filler made of metallurgical waste and a pg-grade bitumen binder

Info

Publication number: RU2787268C1
Application number: RU2021135756A
Authority: RU
Inventors: Александр Трофимович Пименов; Вячеслав Сергеевич Прибылов; Вячеслав Валерьевич Мурко; Диана Василовна Саркисян
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-01-09

Abstract

FIELD: building materials.

SUBSTANCE: invention relates to the field of producing road-building materials, namely, to a composition for an asphalt concrete mix; invention can be used in road and airfield building or in the repair of surfaces of intra-city streets and roads in the climatic zone I-III and in the continental conditions of Siberia and the Far East. Asphalt-concrete mix includes a bitumen binder of grade PG or above 52 to 40, and as a filler, contains metallurgical waste with the following ratio of components wt.%: crushed slag 8 to 16 mm fraction 35.4 to 42.4; crushed slag 4 to 8 mm fraction 18.2 to 25.2; slag sand 0 to 4 mm fraction 37.4 to 41.4, wherein the bitumen binder is contained in the amount of 3.9 to 4.5 wt.% over the 100 wt.% of the mineral part.

EFFECT: possibility of increasing operation characteristics of asphalt concrete in adverse operating conditions; expanding the scope of uses of metallurgical waste, ensuring the disposal thereof, improving the environmental situation, and reducing the costs of manufacturing asphalt concrete mixes.

1 cl, 4 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области производства дорожно-строительных материалов, а именно к составу для асфальтобетонной смеси, и может быть использовано в дорожном и аэродромном строительстве, а также при ремонте дорожных покрытий городских улиц и дорог в I-III климатической зоне и континентальных условиях Сибири и Дальнего Востока.The invention relates to the field of production of road building materials, namely to the composition for the asphalt mixture, and can be used in road and airfield construction, as well as in the repair of pavements of city streets and roads in I-III climatic zone and continental conditions of Siberia and the Far East East.

Известна асфальтобетонная смесь, содержащая в своем составе щебень, песок из горных пород, минеральный порошок и битум, рационально подобранные в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2013 (ГОСТ 9128-2009).Known asphalt mixture containing crushed stone, sand from rocks, mineral powder and bitumen, rationally selected in accordance with the requirements of GOST 9128-2013 (GOST 9128-2009).

Основным недостатком асфальтобетонных смесей, запроектированных по ГОСТ 9128-2013 (ГОСТ 9128-2009), является однократное одноосное нагружение образцов до разрушения. Такое отсутствие движения в сторону моделирования реальных условий эксплуатации имеет множественные негативные последствия в виде ухудшения показателей тепло- и трещиностойкости асфальтобетона (уплотненной асфальтобетонной смеси), снижению эксплуатационных характеристик, а также к сокращению межремонтного срока службы асфальтобетонного покрытия.The main disadvantage of asphalt concrete mixtures designed in accordance with GOST 9128-2013 (GOST 9128-2009) is a single uniaxial loading of specimens to failure. Such a lack of movement towards modeling real operating conditions has multiple negative consequences in the form of a deterioration in the heat and crack resistance of asphalt concrete (compacted asphalt concrete mixture), a decrease in performance, and a reduction in the overhaul life of the asphalt concrete pavement.

Также известна асфальтобетонная смесь (Патент РФ №2591938 C08J 11/00, С04В 26/26, C08L 95/00, 2016), содержащая щебень, шлаковый песок и модифицированное серой вяжущее (мас. % 0,45-2,4 сверх 100% от минеральной части), а также асфальтобетонная смесь (патент РФ №2697468 С04В 26/26, Е01С 7/22, C08L 95/00, 2019), включающая в свой состав отработанную формовочную смесь (мас. % 5-20 от минеральной части).An asphalt concrete mixture is also known (RF Patent No. 2591938 C08J 11/00, С04В 26/26, C08L 95/00, 2016) containing crushed stone, slag sand and a sulfur-modified binder (wt.% 0.45-2.4 over 100% from the mineral part), as well as an asphalt concrete mixture (RF patent No. 2697468 С04В 26/26, Е01С 7/22, C08L 95/00, 2019), which includes a used molding sand (wt.% 5-20 from the mineral part) .

Недостатками вышеуказанных изобретений, являются соответствие их состава и физико-механических свойств требованиям «устаревшего» ГОСТ 9128-2013 (ГОСТ 9128-2009), а также содержание вяжущего, не учитывающее реальные условия эксплуатации в дорожном покрытии.The disadvantages of the above inventions are the compliance of their composition and physical and mechanical properties with the requirements of the "outdated" GOST 9128-2013 (GOST 9128-2009), as well as the binder content, which does not take into account the actual operating conditions in the road surface.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является асфальтобетонная смесь, соответствующая марке SP-16Л по ГОСТ Ρ 58401.1-2019 (прототип), включающая щебень, песок из горных пород, минеральный порошок и битум марки PG, запроектированная по системе объемно-функционального проектирования «Superpave».The closest in technical essence to the claimed invention is an asphalt concrete mixture corresponding to the SP-16L brand according to GOST Ρ 58401.1-2019 (prototype), including crushed stone, sand from rocks, mineral powder and bitumen of the PG brand, designed according to the system of volumetric-functional design " Superpave.

Однако данная асфальтобетонная смесь, несмотря на принципиально новую для России методологию ее проектирования и повышенную по сравнению с ГОСТ 9128-2013 (ГОСТ 9128-2009) эксплуатационную надежность, не решает вопросы ее применения в дорожных покрытиях в условиях необеспеченного стока поверхностных вод, а также проблему адгезионных связей между минеральным заполнителем и вяжущим. Существенным недостатком таких смесей является их высокая себестоимость производства.However, this asphalt mix, despite a fundamentally new for Russia methodology for its design and increased operational reliability compared to GOST 9128-2013 (GOST 9128-2009), does not solve the issues of its use in road surfaces in conditions of unsecured surface water runoff, as well as the problem adhesive bonds between the mineral filler and the binder. A significant disadvantage of such mixtures is their high production cost.

Задачей заявляемого изобретения является создание асфальтобетона (уплотненной асфальтобетонной смеси) дорожных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками, достаточными для восприятия повторяющихся динамических нагрузок от транспортных средств и температурных колебаний окружающей среды, а также позволяющего расширить номенклатуру строительных материалов.The objective of the claimed invention is the creation of asphalt concrete (compacted asphalt concrete mixture) of road surfaces with improved performance characteristics sufficient to absorb repetitive dynamic loads from vehicles and temperature fluctuations of the environment, and also to expand the range of building materials.

Поставленная задача решается тем, что асфальтобетонная смесь, включающая битумное вяжущее марки PG не ниже PG 52-40 по ГОСТ Ρ 58400.1-2019, согласно изобретению содержит в своем составе в качестве заполнителя отходы металлургического производства при следующем соотношении компонентов, мас. % (битум сверх 100%):The problem is solved by the fact that the asphalt concrete mixture, including bituminous binder grade PG not lower than PG 52-40 according to GOST Ρ 58400.1-2019, according to the invention, contains in its composition waste metallurgical production as a filler in the following ratio of components, wt. % (bitumen over 100%):

- щебень шлаковый фр. 8-16 мм - 35,4-42,4;- crushed stone slag fr. 8-16 mm - 35.4-42.4;

- щебень шлаковый фр. 4-8 мм - 18,2-25,2;- crushed stone slag fr. 4-8 mm - 18.2-25.2;

- песок шлаковый фр. 0-4 мм - 37,4-41,4;- slag sand fr. 0-4 mm - 37.4-41.4;

- битумное вяжущее марки не ниже PG 52-40 - 3,9-4,5.- bituminous binder grade not lower than PG 52-40 - 3.9-4.5.

Отличительным существенным признаком заявляемого изобретения является полное замещение в минеральном остове (составе) асфальтобетонной смеси традиционного заполнителя отходами металлургического производства, что значительно снижает себестоимость ее приготовления на асфальтобетонном заводе.A distinctive essential feature of the claimed invention is the complete replacement in the mineral core (composition) of the asphalt concrete mixture of traditional aggregate with waste from metallurgical production, which significantly reduces the cost of its preparation at an asphalt concrete plant.

Химический состав основных элементов сталеплавильных шлаков, мас. %, представлен в таблице 1.The chemical composition of the main elements of steel-smelting slag, wt. % is presented in table 1.

Повышенное содержание в структуре сталеплавильных шлаков СаО обуславливает их лучшее сцепление (адгезию) с битумом.The increased content of CaO in the structure of steel-smelting slags causes their better adhesion (adhesion) with bitumen.

Также следует отметить, что благодаря основным свойствам сталеплавильного шлака (CaO/SiCO₂=1,6…1,8), в условиях повышенной влажности (участки длительно стоящих поверхностных вод с необеспеченным стоком) образуется коагуляционно-кристаллизационная микроструктура, которая способствует проявлению у асфальтобетона (уплотненной асфальтобетонной смеси) повышенной прочности в водонасыщенном состоянии, что также обеспечивает его долговечность.It should also be noted that due to the main properties of steel-smelting slag (CaO/SiCO ₂ = 1.6…1.8), under conditions of high humidity (areas of long standing surface water with unsecured runoff), a coagulation-crystallization microstructure is formed, which contributes to the manifestation of asphalt concrete (compacted asphalt mix) of increased strength in a water-saturated state, which also ensures its durability.

Крупный заполнитель минерального остова асфальтобетонной смеси представлен отвальным мартеновским сталеплавильным шлаком, предварительно разделенным (механизировано) на фракции 8-16 мм и 4-8 мм, мелкий заполнитель - конвертерным сталеплавильным шлаком фракции 4-8 мм Новокузнецкого металлургического комбината (г. Новокузнецк, Кемеровская область) или других металлургических комбинатов, шлаки которых имеют схожий химический и фазовый состав.The coarse filler of the mineral core of the asphalt concrete mixture is represented by waste open-hearth steel-smelting slag, previously separated (mechanized) into fractions of 8-16 mm and 4-8 mm, the fine aggregate is represented by converter steel-smelting slag of the fraction 4-8 mm of the Novokuznetsk Metallurgical Plant (Novokuznetsk, Kemerovo Region). ) or other metallurgical plants, the slags of which have a similar chemical and phase composition.

Для производства асфальтобетонной смеси не требуется изменять традиционную технологию ее приготовления на асфальтобетонном заводе. Ее готовят следующим образом. Отвальный мартеновский сталеплавильный шлак подвергают предварительной сортировке с разделением его на шлаковый щебень фракций 8-16 мм и 4-8 мм. Конвертерный шлак сортировке не подвергают. Предварительно перемешивают смесь фракций до однородного состава. Далее полученную смесь сушат в сушильном барабане асфальтосмесительной установки до постоянной массы при температуре 170-180°С. После нагрева шлакового щебня в смесителе к нему добавляют нагретый битум, и перемешивают полученную смесь в течение 45-60 с (в зависимости от объема замеса и влажности заполнителя) при температуре 136-151°С. Температура асфальтобетонной смеси на выходе из смесителя (бункера-накопителя) должна составлять 140°С-150°С.For the production of asphalt concrete mixture, it is not required to change the traditional technology of its preparation at an asphalt concrete plant. It is prepared as follows. Dump open-hearth steel-smelting slag is subjected to preliminary sorting with its separation into crushed slag fractions of 8-16 mm and 4-8 mm. Converter slag is not subjected to sorting. Pre-mix the mixture of fractions until a homogeneous composition. Next, the resulting mixture is dried in the drying drum of the asphalt mixing plant to constant weight at a temperature of 170-180°C. After heating the crushed slag in the mixer, heated bitumen is added to it, and the resulting mixture is stirred for 45-60 s (depending on the volume of the batch and the humidity of the filler) at a temperature of 136-151°C. The temperature of the asphalt mix at the outlet of the mixer (storage hopper) should be 140°C-150°C.

Пример. Для приготовления асфальтобетонной смеси используют состав при следующем соотношении компонентов, мас. % (таблица 2):Example. To prepare an asphalt concrete mixture, the composition is used in the following ratio of components, wt. % (table 2):

Гранулометрический состав минеральной части асфальтобетонной смеси представлен на фиг. 1.The granulometric composition of the mineral part of the asphalt concrete mixture is shown in Fig. 1.

Проектные характеристики асфальтобетонной смеси приведены в таблице №3.The design characteristics of the asphalt concrete mixture are given in Table No. 3.

Уплотнение образцов цилиндрической формы диаметром 150 мм осуществлялось на вращательном уплотнителе - гираторе. Число оборотов и размер образцов соответствует ГОСТ Ρ 58401.3-2019, ГОСТ Ρ 58401.13-2019 (см. фиг. 2).Compaction of cylindrical specimens with a diameter of 150 mm was carried out on a rotary compactor - a gyrator. The number of revolutions and the size of the samples correspond to GOST P 58401.3-2019, GOST P 58401.13-2019 (see Fig. 2).

Из результатов испытаний, приведенных в таблице №4, следует, что использование заявляемого изобретения позволяет повысить эксплуатационные характеристики асфальтобетона (уплотненной асфальтобетонной смеси) в неблагоприятных условиях эксплуатации; а также расширить область использования отходов металлургических производств, обеспечить их утилизацию, улучшая экологическую ситуацию; снизить себестоимость асфальтобетонных смесей.From the test results given in table No. 4, it follows that the use of the claimed invention improves the performance of asphalt concrete (compacted asphalt mix) in adverse operating conditions; as well as to expand the scope of use of waste from metallurgical industries, ensure their disposal, improving the environmental situation; reduce the cost of asphalt mixes.

Claims

Asphalt-concrete mixture, including bituminous binder grade not lower than PG 52-40 and waste from metallurgical production as a filler in the following ratio, wt. %:

- crushed stone slag fr. 8-16 mm - 35.4-42.4;

- crushed stone slag fr. 4-8 mm - 18.2-25.2;

- slag sand fr. 0-4 mm - 37.4-41.4;

- bituminous binder brand not lower than PG 52-40 - 3.9-4.5 in excess of 100 wt.% of the mineral part.