Асфальтобетонная смесь, модифицированный нефтяной битум и модификатор для битума
MODIFIED BY THE PETROLEUM BITUMEN ASPHALT-CONCRETE MIXTURE AND THE BITUMEN MODIFIER

Изобретение относится к области строительных дорожных материалов, содержащих органическое связующее, и может быть использовано при производстве асфальтобетонных смесей, применяемых для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог, аэродромов, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий.
Асфальтобетонная смесь представляет собой смесь, приготовленную путем смешения в нагретом состоянии щебня (гравия), природного или дробленого песка, минерального порошка и нефтяного битума, взятых в определенных соотношениях [ГОСТ 2198-2013].
Качество и сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий в значительной степени определяются качеством нефтяного битума. Эффективным способом повышения качества нефтяных битумов является регулирование их свойств путем применения различных модифицирующих добавок: полимеров, поверхностно-активных веществ, сшивающих добавок, наноразмерных частиц и пр.
Известна, например, асфальтобетонная смесь, включающая щебень, кварц-полевошпатовый песок, минеральный порошок и модифицированный нефтяной битум [патент № RU 2592509, МПК C08L 95/00, С04В 26/26, С04В 24/36]. В этой смеси битум предварительно модифицирован фуллереновой смесью, полученной при синтезе в электродуговом плазмохимическом реакторе. Асфальтобетон, изготовленный с использованием нефтяного битума, модифицированного таким образом, имеет хорошие эксплуатационные показатели, однако производства фуллеренов в промышленных масштабах не существует и, соответственно, невозможно наладить масштабное производство нефтяного битума, модифицированного предложенным способом.
Известна другая асфальтобетонная смесь, включающая щебень, отсев щебня, песок и модифицированный нефтяной битум марки БНД 90/130 [патент № RU 2515007, МПК C08L 95/00, С04В 26/26]. Нефтяной битум, входящий в эту смесь, модифицирован многостенными углеродными нанотрубками в количестве 0,005% от массы битума.
Эта асфальтобетонная смесь является ближайшим аналогом предлагаемой асфальтобетонной смеси и принята за ее прототип.
Модифицированный углеродными нанотрубками нефтяной битум, входящий в состав вышеупомянутой асфальтобетонной смеси-прототипа, является ближайшим аналогом предлагаемого модифицированного нефтяного битума и принят за его прототип.
Недостатками прототипа является невозможность масштабирования и дороговизна технологии модифицирования нефтяного битума, предусматривающая длительное, в течение 6 часов, диспергирование углеродных нанотрубок в его объеме путем ультразвукового воздействия.
Предлагаемые асфальтобетонная смесь, модифицированный нефтяной битум и модификатор для битума решают задачу производства в стандартном технологическом процессе асфальтобетонной смеси и модифицированного битума для этой смеси, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики асфальтобетонного покрытия на их основе, в частности повысить температуру размягчения асфальтобетонного покрытия - одного из ключевых показателей, определяющих долговечность покрытия.
Поставленная задача решается тем, что предлагается асфальтобетонная смесь, включающая щебень, песок и модифицированный нефтяной битум, содержащий углеродные нанотрубки в количестве 0.005-0.5 масс. % от его массы.
Поставленная задача решается также тем, что предлагается модифицированный нефтяной битум, содержащий углеродные нанотрубки в количестве 0.005-0.5 масс. %.
Углеродные нанотрубки, содержащиеся в названном нефтяном битуме, являются предпочтительно одностенными.
При этом названный модифицированный нефтяной битум, в том числе входящий в состав асфальтобетонной смеси, может содержать адгезионную добавку на основе природных продуктов и фосфатидов растительных масел, или на основе амидоаминов и имидазолинов жирных кислот, или на основе продуктов взаимодействия таллового масла с полиалкилполиаминовыми соединениями.
Предлагаемый модифицированный нефтяной битум может быть получен различными путями. Предпочтительно получение его с использованием модификатора.
Для получения описанного выше модифицированного нефтяного битума предлагается модификатор, содержащий адгезионную добавку и углеродные нанотрубки в количестве не менее 1 масс. %.
Адгезионная добавка, входящая в состав модификатора, может быть выполнена на основе природных продуктов и фосфатидов растительных масел, или на основе амидоаминов и имидазолинов жирных кислот, или на основе продуктов взаимодействия таллового масла с полиалкилполиаминовыми соединениями, или других, здесь не упомянутых.
Углеродные нанотрубки, входящие в состав модификатора, являются предпочтительно одностенными.
Следует отметить, что заявляемые здесь технические решения, а именно асфальтобетонная смесь, модифицированный нефтяной битум и модификатор для названного битума, объединены единым изобретательским замыслом и обеспечивают получение технического результата, состоящего в увеличении температуры размягчения, получаемого с их использованием асфальтобетонного покрытия, а также упрощении технологии модифицирования нефтяного битума.
На практике получение описанных здесь объектов - асфальтобетонной смеси, модифицированного нефтяного битума и модификатора для битума, осуществляют следующим образом.
На первом этапе осуществляют приготовление модификатора для нефтяного битума, содержащего адгезионную добавку и нанодисперсный компонент - углеродные нанотрубки в количестве не менее 1 масс. %.
Адгезионная добавка, входящая в состав модификатора, выбирается из ряда веществ на основе природных продуктов и фосфатидов растительных масел, например «Азол 1003», или на основе амидоаминов и имидазолинов жирных кислот, например «Азол 1002», или на основе продуктов взаимодействия таллового масла с полиалкилполиаминовыми соединениями, например «Адгезол», или иных веществ, подходящих для этих целей.
Использование адгезионных добавок из ряда: «Азол 1003», или «Азол 1002», или «Адгезол», в качестве среды-носителя для приготовления модификатора позволяет повысить адгезию нефтяного битума к минеральной части асфальтобетонных смесей, а также стабилизировать свойства нефтяного битума при производстве асфальтобетонных смесей в дорожном строительстве.
Углеродные нанотрубки, предпочтительно одностенные, смешивают с адгезионной добавкой до их содержания не менее 1 масс. %. Поскольку углеродные нанотрубки имеют тенденцию к агломерации, смесь подвергается механической активации для диспергирования углеродных нанотрубок в среде-носителе. Механическая активация осуществляется путем приложения к смеси сдвиговых усилий с помощью таких инструментов, как трехвалковая, или бисерная, или шаровая или планетарная мельница, или при помощи иных инструментов, не упомянутых здесь.
Модификатор, приготовленный, как описано выше, может представлять собой, в зависимости от концентрации углеродных нанотрубок и свойств среды-носителя, пастообразную или жидкую массу. Например, модификатор с концентрацией углеродных нанотрубок 1 масс. % на основе адгезионной добавки «Азол 1003» представляет собой жидкость, в то время как увеличение концентрации углеродных нанотрубок до 10 масс. % от массы модификатора приводит к получению модификатора пастообразной консистенции.
На втором этапе осуществляют приготовление модифицированного нефтяного битума с использованием описанного выше модификатора.
Приготовление модифицированного нефтяного битума осуществляют путем введения вышеописанного модификатора в исходный нефтяной битум с использованием смесителя, включает следующие стадии:
- нагрев исходного нефтяного битума до температуры 150-155°С;
- введение модификатора с заданной концентрацией углеродных нанотрубок в нагретый нефтяной битум;
- перемешивание смеси нефтяного битума с модификатором с использованием высокосдвигового смесителя до равномерного распределения углеродных нанотрубок в объеме нефтяного битума (до получения однородной гомогенной массы);
- дегазация пробы в барокамере (дегазаторе).
Приготовленные пробы нефтяного битума, модифицированного углеродными нанотрубками (концентрация углеродных нанотрубок варьировалась в пределах 0,005-0,5 масс. % от массы битума), тестированы в лаборатории на соответствие требованиям ГОСТ 22245. За основные характеристики получаемого модифицированного нефтяного битума приняты температуры размягчения, измеренные по методу «Кольца и Шара» (КиШ), эластичность и сцепление битума с поверхностью щебня из кислой породы.
Полученный таким образом модифицированный нефтяной битум является самостоятельным продуктом и может использоваться для различных целей, в частности, в составе асфальтобетонной смеси.
На третьем этапе осуществляют приготовление асфальтобетонной смеси на основе вышеописанного модифицированного нефтяного битума.
За основу берут известный способ приготовления асфальтобетонной смеси по ГОСТ 9128 3/4 84, в соответствии с которым смешивают в смесительных установках минеральные составляющие - щебень (или гравий) и песок с нефтяным битумом, взятые в определяемых соотношениях.
В предлагаемом способе используют нефтяной битум, модифицированный одностенными углеродными нанотрубками, которые содержатся в количестве 0,005-0,5 масс. % от массы битума.
Смесь минеральных составляющих и нефтяного битума перемешивают в специализированных устройствах, после чего асфальтобетонная смесь готова к использованию.
Модифицирование нефтяного битума углеродными нанотрубками в количестве 0.005-0.5 масс. % от массы битума приводит к повышению температуры размягчения асфальтобетонного покрытия до 91°С, что в 2 раза превышает значение для исходного битума марки БНД 60/90 (контрольный образец №7 в Таблице 1); появлению эластичных свойств при 25°С и при 0°С; значительному повышению адгезионных свойств нефтяного битума.
Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют улучшить свойства асфальтобетонного дорожного покрытия, в создании которого они участвуют, а именно к повышению температуры размягчения асфальтобетонного дорожного покрытия и увеличению его срока службы.
Предлагаемые изобретения подтверждаются приведенными ниже примерами конкретного выполнения, которые иллюстрируют изобретения, но не ограничивают их собой.
Пример 1
На первом этапе готовят модификатор для нефтяного битума согласно следующему.
Одностенные углеродные нанотрубки смешивают с адгезионной добавкой, на основе продуктов взаимодействия таллового масла с полиалкилполиаминовыми соединениями «Адгезол 6» при их содержании в смеси 1% масс.
Приготовленную смесь углеродных нанотрубок и адгезионной добавки подвергают механической обработке с помощью трехвалковой мельницы.
Полученный в результате модификатор имеет жидкую консистенцию и состоит из адгезионной добавки и одностенных углеродных нанотрубок.
На втором этапе осуществляют приготовление модифицированного нефтяного битума.
Приготовление модифицированного нефтяного битума осуществляют путем введения полученного модификатора (концентрация углеродных нанотрубок 1 масс. %) в исходный нефтяной битум марки БНД 60/90 производства АО «Газпромнефть-Московский НПЗ». Для этого:
- нагревают исходный нефтяной битум до температуры 160°С;
- смешивают модификатор с нагретым нефтяным битумом в таком соотношении, чтобы содержание одностенных углеродных нанотрубок в готовом модифицированном нефтяном битуме равнялось 0.005 масс. %;
- перемешивают эту смесь с помощью коллоидной мельницы Silverson L5M-A в течение 30 минут при оборотах в минуту 9100-10500;
- удаляют из модифицированного битума пузырьки вовлеченного воздуха.
На третьем этапе готовят асфальтобетонную смесь. Для этого готовят минеральную составляющую смеси, содержащую 65 масс. % щебня, 29 масс. % песка, и нагревают до 160°С, к которой добавляют 6 масс. % модифицированного нефтяного битума, содержащего 0.005% масс, одностенных углеродных нанотрубок, также нагретого до 160°С. Подготовленную смесь перемешивают в смесительной установке до однородности.
Полученную асфальтобетонную смесь используют в качестве покрытия дороги. Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 1).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 55°С и температуру хрупкости - 22°С.
Пример 2
То же, что в примере 1, но модификатор выполнен на основе адгезионной добавки «Азол 1002». Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 2).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 57°С и температуру хрупкости - 25°С.
Пример 3
То же, что в примере 1, но модификатор выполнен на основе адгезионной добавки «Азол 1003». Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 3).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 57°С и температуру хрупкости - 22°С.
Пример 4
То же, что в примере 1, но содержание одностенных углеродных нанотрубок в нефтяном битуме составляет 0.5 масс. %. Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 4).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 77°С и температуру хрупкости - 28°С.
Пример 5
То же, что в примере 1, но модификатор выполнен на основе адгезионной добавки «Азол 1002» при содержании одностенных углеродных нанотрубок в нефтяном битуме равном 0.5 масс. %.
Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 5).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 79°С и температуру хрупкости - 28°С.
Пример 6
То же, что в примере 1, но модификатор выполнен на основе адгезионной добавки «Азол 1003» при содержании одностенных углеродных нанотрубок в нефтяном битуме равном 0.5 масс. %.
Результаты тестирования полученных модифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 6).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 93°С и температуру хрупкости - 15°С.
Пример 7
То же, что в примере 1, но нефтяной битум не содержит углеродных нанотрубок, т.е. контрольный образец.
Результаты тестирования полученных немодифицированных образцов битума представлены в Таблице 1 (Столбец 7).
Асфальтобетон, включающий этот битум, имеет температуру размягчения 50°С и температуру хрупкости - 20°С.