СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДОБАВКИ, МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ НЕФТЯНЫЕ БИТУМЫ
METHOD FOR OBTAINING AN ADDITIVE FOR MODIFYING OIL BITUMENS

Заявленное изобретение относится к строительным материалам, а именно конкретно к способу получения добавки, модифицирующей нефтяные битумы, добавляемой для улучшения качества битума, повышения теплофизических свойств битума, и может найти применение в дорожном строительстве при приготовлении асфальтобетонных смесей.
Современный уровень развития автомобильного транспорта связан с нескончаемым наращиванием объемов перевозки грузов, с интенсивностью перемещения грузовых транспортных средств, которые в свою очередь приводят к увеличению динамических нагрузок на дорожное покрытие. Эти и иные объективные факторы указывают на то, что необходимо повышать качество дорожного битума.
Улучшение качества битума может быть достигнуто путем поиска новых технико-технологических решений, приводящих к улучшению физико-механических характеристик асфальтобетонных покрытий. Основным путем решения данной задачи в настоящее время является использование модифицирующих добавок в битумное связующее. Причем именно добавка оказывает значительное влияние на физико-механические свойства асфальтобетонов.
Наиболее распространенным способом улучшения характеристик битума на сегодняшний день является модификация с использованием каучуков. В частности, известен «Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего» (авторское свидетельство СССР на изобретение №1669890, МПК С04В 26/26, 1991 г.), включающий приготовление модификатора, содержащего каучук и низковязкий органический компонент, путем термоокисления в присутствии катализатора и последующего смешения его с нагретым битумом в массовом соотношении 10-20:80-90, причем в модификатор дополнительно вводят триэтаноламин, а в качестве низковязкого органического компонента используют сланцевое масло при массовом соотношении сланцевого масла, триэтаноламина и каучука 8-10:0,05-0,1:1.
Недостатком указанного способа является высокий расход модификатора, основным компонентом которого является сланцевое масло, что неминуемо снижает вязкость битумно-каучукового вяжущего и, как следствие, уменьшает температуру размягчения битумно-каучукового вяжущего, а, следовательно, не обеспечивает требуемое качество асфальтобетонной смеси.
Известен способ получения стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси («Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и способ ее получения», патент на изобретение РФ №2312116, МПК С04В 26/26, C08L 95/00, 2007 г.), включающий смешение битума и структурирующей добавки и последующее гранулирование композиции, причем в качестве структурирующей добавки берут льняную солому, которую предварительно замачивают в щелочном растворе с поверхностно-активным веществом, затем подвергают термомеханохимической активации, промывают, сушат, распушают.
Недостаток указанного способа заключается в сложности его реализации, в значительной длительности и трудоемкости процесса обработки льняной соломы, а также в необходимости применения и последующей утилизации агрессивных компонентов.
Известна также фибродобавка в асфальтобетонную смесь (патент CN 101798196), содержащая группу волокон: 15-35% волокон на основе сложного полиэфира, 35-55% древесного волокна, 15-35% ПАН-волокна и 15-35% нейлонового волокна. Общее содержание армирующей добавки составляет 0,3-0,6% от массы смеси.
Однако используемая в вышеописанном патенте смесь волокон содержит волокна из материалов, которые резко ограничивают температуру процесса получения асфальтобетонной смеси, так как температура их плавления или разложения гораздо ниже, чем температура приготовления большинства асфальтобетонов, обычно составляющая порядка 160°C. Тем самым, применение фибродобавки смешанного состава становится невозможным либо малоэффективным.
Известен способ получения асфальтобетонного модификатора (патент CN 106317919), в состав которого входит сжиженный продукт из древесных отходов. Способ включает следующие этапы: измельчение древесных отходов с получением древесной муки; помещение высушенной древесной муки в реакционный котел, добавление фенола в реакционный котел, равномерное перемешивание, добавление концентрированной серной кислоты и равномерное перемешивание с получением черного вязкого продукта; и охлаждение черного вязкого продукта до комнатной температуры, чтобы получить модификатор асфальта.
Недостаток указанного способа заключается в сложности его реализации, многостадийности, а также для его осуществления требуется применение опасных и канцерогенных химических соединений (фенол, серная кислота).
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является асфальтобетонная смесь (патент RU 2465231), которая содержит щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень - 30-70, мелкий заполнитель - 10-65, минеральный порошок - 5-40, битумное вяжущее - 3-15 (сверх 100% от минерального материала), ПАН-фибра - 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала) и углеродное волокно - 0,01-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала). В качестве углеродного волокна смесь содержит мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм и со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна.
Известная композиция обеспечивает хорошие технологические и эксплуатационные характеристики. Однако недостатком данного изобретения является их многокомпонентность и сложность состава.
Целью настоящего изобретения является получение модифицирующей добавки, вводимой непосредственно в битумы, для улучшения его теплофизических характеристик, с последующим использованием в асфальтобетонных смесях.
Технический результат, достигаемый использованием заявленного изобретения, заключается в улучшении теплофизических характеристик, а именно температуры размягчения битума, температуры хрупкости и температуры вспышки в закрытом тигле, которые в свою очередь оказывают влияние на устойчивость к истиранию, трещинообразованию и образованию колейности.
Указанный технический результат достигается путем создания модифицирующей добавки, которая содержит в своем составе кору сосны обыкновенной, армированную тонкодисперсным базальтом.
По первому варианту способ осуществляется следующим образом: для увеличения объема свободного клеточного и порового пространства, необходимого для дальнейшего заполнения наполнителем, в структуре коры было проведено удаление водорастворимых экстрактивных веществ путем экстракции водой на разработанном и запатентованном экстракторе (Патент РФ № 172362). В дальнейшем кора подвергалась температурной обработке в сушильном шкафу при 60°С до постоянной массы в течение трёх суток. Фракция коры для исследования составляла 2-4 мм.
Предварительное диспергирование базальта проводили на планетарной шаровой мельнице Retsch PM 100 при скорости вращения 420 об/мин с использованием карбидвольфрамовых размольных тел диаметром 20 мм в количестве 18 шт до размера фракции 200-300 нм в течение 60 минут, после чего базальт высушивали до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 110ºС в течение часа.
Совместный мокрый помол древесной коры и мелкодисперсного базальта выполняли на планетарной шаровой мельнице течение 5 мин при скорости вращения 360 об/мин с использованием размольных тел из нержавеющей стали диаметром 20 мм в количестве 23 шт. Соотношение компонентов (% по массе): кора – 65, мелкодисперсный базальт – 25, вода – 10. Таким образом, добавка, содержащая древесный заполнитель – кору сосны обыкновенной со средним размером частиц 2-4 мм, поровое пространство которой заполнено тонкодисперсным наполнителем из базальта, готова к применению.
Далее полученную добавку (Д1) вводили в обезвоженный битум (БНД - У 100/130), который был предварительно разогрет до 120-140°С, в количестве 5,0-10,0% (по массе) от исходной массы битума. Перемешивание осуществлялось с использованием двухлопастной лабораторной мешалки.
По второму варианту способ получения добавки включает приготовление древесного заполнителя - коры сосны обыкновенной со средним размером частиц 2-4 мм, поровое пространство которой заполнено тонкодисперсным наполнителем из базальта, и  введение ее в обезвоженный битум, предварительно разогретый до 120-140°С, в количестве 5,0-10,0% по массе от исходной массы битума, при чем  производят удаление водорастворимых экстрактивных веществ из коры путем экстракции водой с последующей температурной обработкой при 60°С в течение трех суток,  предварительный помол базальта при помощи планетарной шаровой мельницы, используя карбидвольфрамовую гарнитуру до фракции 200-300 нм в течение 30 минут с последующим высушиванием в сушильном шкафу при 110°С в течение часа, далее выполняют совместный мокрый помол базальта и коры в соотношении по массе: кора – 65 %, мелкодисперсный базальт – 25 %, вода – 10 % в течение 5 минут.
Сравнение теплофизических характеристик осуществлялось относительно битума без добавок (Д0).
В качестве теплофизических характеристик были выбраны: температура размягчения (метод кольца и шара) (ГОСТ 11506-73), температура хрупкости (ГОСТ 33143-2014) и температура вспышки в закрытом тигле (ГОСТ 6356-75). Выбор этих характеристик обусловлен их влиянием на качественные свойства итогового асфальтобетона – устойчивость к истиранию, трещинообразованию и образованию колейности. Образцы для проведения испытаний по определению теплофизических характеристик имели форму, соответствующую необходимым стандартам.
Для определения температуры размягчения нефтебитумов использовался аппарат лабораторный автоматический КиШ-20М4.
Для определения температуры хрупкости нефтебитумов использовался аватоматический аппарат АТХ-20.
Температуру вспышки определяли в закрытом тигле при помощи аппарата АТВ-21.
В табл. 1 приведены полученные значения теплофизических характеристик битума.
Таблица 1. Теплофизические характеристики битума
Наименование испытания
БНД - У 100/130
Д0
Д1
Температура размягчения, <sup>о</sup>С
46
49
Температура хрупкости, <sup>о</sup>С
-17
-24
Температура вспышки, <sup>о</sup>С
230
229
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что использование добавки (Д1) оказывает благоприятное влияние на теплофизические характеристики битума.
Сравнивая полученные экспериментальные данные теплофизических характеристик битума с требованиями по качеству, предъявляемыми к дорожному битуму БНД - У 100/130, можно отметить тот факт, что при использовании добавки, включающей древесный наполнитель, значения температуры размягчения увеличилась по сравнению с битумом без добавок. В большей степени, использование добавки Д1 привело к существенному понижению температуры хрупкости. Понижение температуры хрупкости смеси свидетельствует о повышении морозостойкости модифицированного органического связующего.
Таким образом, проанализировав полученные в ходе исследования результаты, можно полагать, что модифицирующая добавка, включающая армированный мелкодисперсным базальтом древесный заполнитель, может существенно улучшить теплофизические свойства битума.