[1]Изобретение относится к производству модифицированных дорожных битумов, а именно к технологии приготовления полимерно-битумного вяжущего с внесением углеродного нановолокна и может быть использовано для изготовления высококачественных и климатически универсальных горячих и литых асфальтобетонных смесей.
[2]В процессе приготовления всех асфальтобетонов ключевую роль играет качество минерального (битумного) вяжущего, его содержание в смеси, реологические свойства. В зависимости от качества битумного вяжущего, возможно добавление полимерных модификаторов, пластификаторов и углеродных материалов для улучшения товарных показателей не только нефтебитумов, но и асфальтобетонных смесей.
[3]Известно изобретение, в котором модифицированный битум получают на основе остаточного битума глубокой вакуумной перегонки, в которой вносят сополимер в качестве ПАВ и понижающий вязкость агент в качестве пластифицирующей добавки. При этом сополимер синтезируют из аллилового эфира полиалкиленгликоля, блока ненасыщенной дикарбоновой кислоты и блока ароматического винилового соединения, а понижающий вязкость агент представляет собой техническое масло. Все описанные выше компоненты диспергируют в заданных пропорциях в специализированных коллоидных мельницах. Модифицированный битум содержит нефтяной битум прямой перегонки нефти (А1) в количестве от 25 до 70 мас. %, понижающий вязкость агент (В), представляющий собой техническое масло, в количестве от 20 до 65 мас. % и сополимер (С) в количестве от 0,5 до 7 мас. %. Сополимер (С) содержит структурный блок из аллилового эфира полиалкиленгликоля (cl), блок из ненасыщенной дикарбоновой кислоты и/или ее ангидрид (с2) и блок из ароматического винилового соединения (с3). Молярное соотношение блоков составляет примерно 1:1:1 (патент RU 2442808).
[4]Недостатками данного изобретения являются высокий расход технического масла на понижение вязкости, а, следовательно, удорожание битума, а также сложность и дороговизна производства сополимеров.
[5]Существует изобретение, в котором полимерно-битумное вяжущее получают перемешиванием в мешалке всех компонентов композиции (битум 86-89% мас., СБС-полимер 2,5-5% мас., индустриальное масло 5,5-7,5% мас., ТЖК 1-3% мас.), поданных в расчетном количестве, с последующим пропуском композиции через коллоидную мельницу во вторую мешалку. Затем этот процесс повторяется. Температура приготовления ПБВ не должна превышать 160°С, а продолжительность процесса производства ПБВ не должна превышать 60 мин. Изобретение касается полимерно-битумного вяжущего, содержащего битум, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества содержит тяжелые жирные кислоты (ТЖК) (RU 2297990).
[6]Недостатком данного способа являет использование индустриального масла, которое негативно влияет на адгезионные свойства вяжущего к минеральным компонентам, которые содержатся в асфальтобетоне, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик асфальтобетона, например, низкой устойчивости к возникновению трещин.
[7]Известен способ приготовления полимерно-битумного вяжущего, включающий введение в нагретый до 165-175°С битум термоэластопласта, пластификатора, перемешивание. Вяжущее дополнительно содержит азотсодержащее поверхностно-активное вещество в количестве 0,5-2,0% от массы битума при следующей последовательности приготовления вяжущего: азотсодержащее поверхностно-активное вещество вводят в битум или, если оно является твердым, полутвердым или пастообразным, то его смешивают с частью пластификатора до получения жидкой смеси и в таком виде вводят в битум, затем осуществляют введение термоэластопласта в гранулированном виде с последующим перемешиванием, после чего вводят пластификатор или оставшуюся его часть и перемешивают до однородного состояния (патент RU 2152964).
[8]Недостатком изобретения является применение дорогостоящих поверхностно-активных веществ для повышения адгезионных свойств и облегчения процесса приготовления полимерно-битумного вяжущего.
[9]Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения полимерно-битумного вяжущего, описанный в патенте №2211846. Согласно изобретению расплавленный битум марок БНД смешивают с бутадиен-стирольным термоэластопластом линейного, звездообразного или древоподобного строения, заправленного смесью ионола и фосфита НФ, с ортофосфорной кислотой, с техническим углеродом и полимерными адгезионными добавками, представляющими собой полимеры строения: полистирол или полибутадиен, или полистирол - полиизопрен с общей молекулярной массой 2-60 тыс. и концевыми полярными функциональными группами.
[10]Недостатками данного способа являются сложная система приготовления ПБВ с использованием большого количества дополнительных компонентов с отдельным приготовлением смесей ионола, фосфита и ортофосфорной кислоты, использование крайне дорогостоящих добавок -технического углерода и полимерных адгезионных добавок, а также незначительно повысившийся интервал пластичности вяжущих.
[11]Технической проблемой изобретения является разработка способа получения композиции модифицированного полимерно-битумного вяжущего, устраняющего вышеуказанные недостатки, с достижением следующего технического результата: повышение показателей реологических свойств нефтяного битума (температурных характеристик и его твердости).
[12]Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения полимерно-битумного вяжущего на основе битума, пластифицирующей добавки и полимерного модификатора, согласно изобретению предварительно смешивают минеральное масло на нефтяной основе в качестве пластифицирующей добавки с бутадиен-стирольным термоэластопластом в качестве модификатора при температуре свыше 200°С в течение 45-50 минут, далее вводят получившийся расплав в товарный битум марки БНД 50/70 в соотношении: пластификатор 8 мас. %: полимерный модификатор 1,5-6 мас. %: битум БНД 86-90,5 мас. % при перемешивании и продолжительности 20 минут, отстаивают готовый образец полимерно-битумного вяжущего (ПБВ 60) в течение суток с предохранением от влаги. Затем полученную смесь нагревают до температуры 150°С и добавляют в нее в течение 10-15 минут углеродные нановолокна до образования однородной смеси, при следующем соотношении компонентов: битум ПБВ 97-99 мас. %: углеродные нановолокна - 1-3 мас. % и отстаивают в течение суток.
[13]В качестве основы для приготовления модифицированного битума используют некондиционный товарный битум марки БНД 50/70. Из таблицы 1 видно, что образец битума полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 33133-2014 для своей марки.
[15]| Показатель | Значения для исследуемого образца битума марки БНД
50/70 | Требования ГОСТ
33133-2014 для БНД
50/70 |
| Глубина проникания иглы, 0,1 мм (при 25,0°С) | 68,7 | 51-70 |
Температура размягчения
по кольцу и шару, °С | 53,3 | не ниже 51 |
| Растяжимость, см (при 25,0°С) | 84,8 | не менее 60 |
| Температура хрупкости, °С | -19 | не выше -16 |
| Интервал пластичности, °С | 72,3 | не нормируется |
[16]В качестве пластифицирующей добавки использовали минеральное масло на нефтяной основе. При модификации в первую очередь определялась оптимальная концентрация масла. В ходе ряда испытаний было установлено оптимальное содержание пластификатора (8% от общей массы битума), которое позволяет значительно увеличить запас по температуре хрупкости, при этом не сильно понижая температуру размягчения, уменьшая растяжимость и увеличивая глубину проникания иглы.
[17]После выявления оптимальной концентрации пластификатора в битуме были изготовлены полимер-масляные расплавы. В общей массе испытывалось влияние на качество вяжущего от 1,5 до 6% мас. бутадиен-стирольного термоэластопласта (СБС-полимера) (также от общей массы образца) с сохранением содержания пластификатора в 8% мас. В ходе добавления СБС показатели размягчения и глубины проникания иглы постоянно возрастали, также снижались показатели температуры хрупкости и растяжимости битума.
[18]Наилучшими показателями обладает битум с добавлением 6% мас. СБС, при этом внесение полимера в большем количестве ведет к процессу деструкции полимера, все значения соответствуют требованиям ГОСТ Р 52056-2003 для марки битума ПБВ 60. В таблице 2 представлены сравнительные результаты.
[19]
[20]Используют углеродные нановолокна, полученные путем каталитического крекинга метана.
[21]В готовый модельный образец вносили углеродные нановолокна в количестве от 1 до 3% мас. В результате смешения полученного ПБВ с углеродным материалом удалось повысить твердость, теплостойкость и морозостойкость битума, однако при этом некритично снизилась его пластичность. Результаты представлены в таблице 3.
[22]
[23]Для осуществления заявляемого способа перед приготовлением полимерно-битумного вяжущего определяют влияние чистой пластифицирующей добавки на свойства битума (каким образом изменяются характеристики в зависимости от количества внесенной пластифицирующей добавки). Образец битума смешивают с пластифицирующей добавкой, после чего проводятся требуемые испытания. После выявления оптимального количества пластифицирующей добавки готовятся расплавы «пластификатор: полимер». В пластифицирующую добавку при температуре свыше 200°С вносится полимерный модификатор при постоянном перемешивании в течение 45-50 минут. Готовый расплав смешивается с чистым битумом в течение 20 минут до получения однородного вяжущего, после чего получившийся ПБВ оставляет на сутки отстаиваться, предохраняя его от влаги и проводят испытания, сравнивая результат с требованиями ГОСТ Р 52056-2003. Приготовленный ПБВ нагревают до температуры 150°С и вмешивают в него углеродные нановолокна в течение 10-15 минут до образования однородной смеси и, после отстаивания битума в течение суток, вновь проводят испытания с целью выяснения изменений в характеристиках.
[24]Способ по изобретению иллюстрируется примерами.
[26]- битум БНД (94% мас.);
[27]- минеральное масло (3% мас.);
[28]- СБС-полимер (3% мас.).
[29]С целью недопущения значительного падения показателей размягчения и твердости, а также экономии на пластифицирующей добавке и полимерном модификаторе, были взяты их минимальные содержания. Однако, так как минеральное масло не является специализированным пластификатором, при внесении полимера в пластифицирующую добавку при температуре 205°С полимер подвергся деструкции (термическому разложению). Снижение температуры до 190°С не позволило расплавиться полимеру.
[31]- битум БНД (84,5% мас.);
[32]- минеральное масло (8% мас.);
[33]- СБС-полимер (7,5% мас.).
[34]Для повышения морозостойких свойств и последующего восстановления после разбавления битума пластификатором пенетрации и размягчения, количество полимера было взято максимально доступное. При незначительном снижении температуры до 190°С полимер растворился не полностью, частично оставшись осадком в таре. Повторное повышение температуры до 200°С привело к началу деструктивных процессов и горению полимера, что говорит о невозможности внесения большого количества СБС в минеральном масле. При этом повышение содержания масла может сильно увеличить себестоимость будущего ПБВ, и, несмотря на значительное повышение морозостойкости - адгезия, твердость и теплостойкость битума снизятся.
[36]- битум БНД (86% мас.);
[37]- минеральное масло (8% мас.);
[38]- СБС-полимер (6% мас.).
[39]По примеру 3 получают образец, аналогичный по своим свойствам ПБВ 60 (таблица 2).
[41]- битум БНД (90,5% мас.);
[42]- минеральное масло (8% мас.);
[43]- СБС-полимер (1,5% мас.).
[44]Приведенные отношение компонентов позволила расплавить полимер в пластификаторе при температуре свыше 205°С без термического разложения СБС, однако после внесения полученного расплава в битум, значительно снизилась температура размягчения последнего и при этом не было достигнуто ожидаемого снижения температуры хрупкости.
[45]При уменьшении содержания СБС в битуме показатель размягчения снижается с 60,1°С (при 6%) до 51,8°С (при 1,5%). Хрупкость битума снижается с -24°С (при 6%) до -20°С (при 1,5%). Также снижаются показатели растяжимости и глубины проникания иглы с 50,6 см (при 6%) до 67,2 см (при 1,5%) и с 82,4 (при 6%) до 90,5 (при 1,5%) соответственно.
[47]- битум ПБВ (97% мас.);
[48]- углеродные нановолокна (3% мас.).
[49]Полученный битум ПБВ нагревают до температуры 150°С и вмешивают в него углеродные нановолокна в течение 10-15 минут до образования однородной смеси. После полученный образец отстаивают в течение суток.
[50]При увеличении содержания нановолокна в полученном образце ПБВ повышаются теплотехнические и морозостойкие свойства битума, увеличивается его твердость, а также снижается растяжимость (таблица 3).
[51]Таким образом, получают модифицированный дорожный битум с приготовлением на его основе полимерно-битумного вяжущего марки 60 с последующим внесением в него углеродных нановолокон, что ведет к резкому улучшению реологических характеристик вяжущего, таких как: температура размягчения, температура хрупкости и твердость материала, что может позволить использовать полученный битум в приготовлении высококачественных горячих и литых асфальтобетонных смесей.
