Резинобитумное дорожное вяжущее для асфальтобетонной смеси
RUBBER-BITUMEN ROAD BINDER FOR ASPHALT-CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к производству композиционных строительных материалов, в частности к дорожным вяжущим составам на основе органических соединений для приготовления асфальтобетонных смесей, использующихся при строительстве и ремонте автомобильных дорог, мостов и аэродромов.
За последние годы увеличение объема отходов от утилизации отработанных автомобильных покрышек вызывает существенное загрязнение окружающей среды. Известно, что в составе таких покрышек содержится не менее 50% мас. резины, более 30% мас. металла и текстильные компоненты. Основными составляющими резины являются каучук (изопреновый, бутадиен-стирольный, бутадиеновый, натуральный и др.) - до 50% мас., технический углерод - 30-35% мас. Отработанная и дробленая шинная резиновая крошка (РК) обладает такими свойствами, как высокая эластичность, износостойкость и усталостная выносливость. Поэтому, применение в дорожном строительстве дробленой РК, полученной в процессе переработки изношенных автопокрышек, позволяет не только избавляться от резиновых отходов, но и расширить сырьевые ресурсы дорожных вяжущих, удешевить их и повысить безопасность и долговечность дорожного покрытия.
Известна битумно-резиновая композиция для дорожного покрытия (Патент РФ №2509787). Композиция включает битум, резиновую крошку из измельченных отработанных автомобильных шин с размером частиц до 1 мм и нефтяное масло с вязкостью 0,005-1,6 Па⋅с при 60°С. Соотношение компонентов следующее, % мас.: резиновая крошка - 8-20, нефтяное масло - 2-12, битум - остальное. Конечный продукт имеет повышенное сцепление с дорожным покрытием, повышенную устойчивость к образованию трещин при низких температурах, улучшенное сцепление при отрицательных температурах, повышенную эластичность в условиях интенсивного движения.
Недостатком данного способа является использование резиновой крошки, не связанной никакими физическими и химическими связями с нефтяной основой, что не позволяет обеспечить необходимую седиментационную устойчивость получаемого вяжущего. Для создания высокоустойчивых дорожных вяжущих модифицированных резиновой крошкой необходимо проводить «сшивки» молекул резиновой крошки либо с молекулами эластичной органической нефтяной основы, например, со смолистой частью гудрона, либо с молекулами полимера (ГОСТ EN 13399), например, термоэластопласта. Кроме того отметим, что обязательное применение нефтяного товарного масла удорожает себестоимость получаемого вяжущего.
Известно комплексное структурированное битуморезиновое вяжущее для дорожного покрытия (Патент РФ №2406709), содержащее девулканизированную резиновую крошку, органическое вяжущее - битум нефтяной дорожный и отходы водоочистки нефтеперерабатывающих предприятий - нефтешлам флотации. Недостатком данного способа является, во-первых, применение органической составляющей нефтешлама в узких диапазонах группового химического состава (парафиновых соединений - 75-85% мас., нафтеновых - 10-20% мас., ароматических - 3-10% мас., а во-вторых, для неорганической составляющей ограниченные диапазоны размера частиц (менее 10 мк - 50-65% мас.; менее 20 мк - 80-85% мас.; менее 100 мк - 95-99% мас.; более 100 мк - менее 2% мас.). Органосодержащие отходы производства - нефтешламы, в том числе, нефтешлам флотации, характеризуются широким компонентным составом. Использование состава, ограниченного указанными диапазонами, приводит к дефициту сырьевой базы для получения данной композиции.
Известна модифицирующая композиция (патент РФ 2327719), состоящая из битума, крошки девулканизированной резины из отработанных автомобильных шин и нафталиновой фракции каменноугольной смолы. Недостатком данной композиции является высокая токсичность компонента (нафталиновой фракции каменноугольной смолы) в ее составе. В состав каменноугольной смолы входят такие компоненты, как 3,4-бензпирен, 1,2-бензантрацен, обладающие сильным канцерогенным действием на организм человека.
Известно композиционное резинобитумное вяжущее (патент РФ №2655334), включающее резиновую крошку размером до 1,5 мм в количестве от 30 до 60% мас., битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 30 до 60% мас. и нефтяное масло с содержанием ароматических углеводородов не менее 50% мас. в количестве 10-25% мас. Недостатком данного вяжущего является использование в его составе дорогостоящей мелкодисперсной крошки размером до 1,5 мм, а также высокое содержание в композиции высокоароматизированного нефтяного масла (10-25% мас.). Оба эти фактора приводят к удорожанию стоимости получаемой композиции.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) является вяжущее (полиэтилен-гудроновое вяжущее с резиновой крошкой - ПЭГВ-Р) для дорожных покрытий (Пат. РФ №2519214), которое содержит, в % мас.:
Глубокоокисленный гудрон
30-40
Полиэтилен ПЭВД
1,5-3,5
Резиновая крошка
1,5-3,5
Сера элементарная
0,15-0,45
Прямогонный гудрон
до 100
Известное вяжущее содержит прямогонный гудрон с условной вязкостью при температуре 80°С - 60-160 с; глубокоокисленный гудрон (битум нефтяной строительный марки БН 90/10 по ГОСТ 6617; элементарную серу (серу техническую газовую комовую по ГОСТ 127.1-93), в качестве вулканизирующего агента; резиновую крошку из отработанных покрышек, фракция 0÷0,63 мм и полиэтилен высокого давления ПЭВД по ГОСТ 16337-77. Известное вяжущее, принятое за прототип, обладает эластичностью, но более низкой по сравнению с ПБВ по ГОСТ Р 52056-2003 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия».
Недостатками известного вяжущего, принятого за прототип, являются:
- относительно высокое содержание в композиции серы, 0,15-0,45% мас., которая не может быть связана полностью с органической составляющей композиции, что может привести к выделению ее из состава вяжущего в дальнейшем в виде сероводорода или как нерастворенная часть в виде осадка. Количество серы, связывающееся химически, должно ограничиваться десятыми долями массовых процентов на массу вяжущего;
- использование мелкодисперсной резиновой крошки фракцией 0÷0,63 мм удорожает себестоимость получаемой композиции;
- низкая дисперсия компонентов резины, в т.ч. молекул каучука, в битуме, что приводит к невысокой седиментационной устойчивости композиции и получению невысоких пластичных свойств, регламентируемых современной нормативно-технической документацией на дорожные битумы (ГОСТ 33133);
- применяемый в композиции ПЭВД полимер является термопластом, что не позволяет получать вяжущее с эластичностью, требуемой ГОСТ Р 52056.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка композиции вяжущего для дорожных покрытий, которое бы отличалось пониженной температурой хрупкости, высокими температурой размягчения, растяжимостью и эластичностью с использованием дешевых и доступных компонентов, обеспечивающих рентабельность его производства. Техническим результатом настоящего изобретения является получение вяжущих, соответствующих требованиям ГОСТ 33133 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования», а также, при введении полимера типа СБС, вяжущих, соответствующих требованиям ГОСТ Р 52056.
Для решения поставленной задачи предложена композиция вяжущего для дорожных асфальтобетонных смесей на основе прямогонного гудрона, содержащая, в % мас.:
Глубокоокисленный гудрон - 45-55
Нефтяной диспегирующий агент - 4,5-9,0
Резиновая крошка - 0,5-1,0
Сера элементная - 0,02-0,05
Полимер типа СБС - 0-3,0
Прямогонный гудрон - до 100
Решение поставленной задачи было достигнуто приготовлением резинобитумного вяжущего в стандартных смесительных емкостях путем проведения процесса мягкой термодеструкции резиновой крошки размером 2,5-4,5 мм в нефтяных диспергирующих агентах (асфальтите - рафинате процесса пропановой деасфальтизации гудронов или тяжелом газойле каталитического крекинга), обогащенных ароматическими компонентами, в массовом соотношении 10:90 при интенсивном перемешивании компонентов в течение 3 часов при температуре 200°С. Продукты мягкой термодеструкции резиновой крошки в нефтяном диспергирующем агенте смешивали с прямогонным гудроном (содержащим ненасыщенные органические компоненты, которые отсутствуют в окисленных продуктах и к которым через серные «мостики» «пришиваем» молекулы каучука). При достижении температуры 200°С добавляли в перемешиваемую смесь элементную серу в количестве 5% на массу переработанной резиновой крошки, и проводили дальнейшее смешение при той же температуре в течение 2 часов. Затем компаундировали полученный компонент с глубокоокисленным гудроном (с температурой размягчения по КиШ в интервале 70÷85°С) или строительным битумом марок БН 90/10 или БН 70/30, для получения дорожных битумов марок БНД 70/100, БНД 100/130 по ГОСТ 33133. Для получения полимерно-битумных вяжущих марки ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056 при достижении температуры смеси 180°С дополнительно вводили в емкость для перемешивания полимер СБС в количестве не более 3% на массу этой смеси, и проводили активное перемешивание смеси при той же температуре в течение еще 1 часа.
Нефтяные диспергирующие агенты, в качестве которых использовали тяжелый газойль каталитического крекинга и асфальтит, обогащенные ароматическими компонентами, позволяют получать равномерную дисперсию девулканизированной РК в битуме. В их составе присутствует значительное количество полиароматических соединений (не менее 35% мас.), способных эффективно диспергировать молекулы каучука в нефтяной дисперсионной среде.
Элементная сера, массовое содержание которой в композиции ограничено сотыми долями (0,02-0,05% мас.), позволяет проводить процесс «прививки» молекул каучука к молекулам полиароматических компонентов первого с образованием седиментационно устойчивой структуры; при этом сера оказывается полностью связанной с органическими ненасыщенными соединениями вяжущего, не выделяясь в виде сероводорода.
Использование резиновой крошки средней фракции 2,5-4,5 мм позволяет, кроме того, снизить себестоимость получаемого продукта.
Дополнительное введение в композицию термоэластопласта типа СБС позволяет улучшить пластично-эластичные характеристики резиносодержащих дорожных вяжущих, необходимых для долговечности дорожных покрытий и получать полимерно-битумные вяжущие марки ПБВ 60 в полном соответствии с ГОСТ Р 52056.
Сущность предлагаемой композиции вяжущего в сравнении с известным техническим решением может быть проиллюстрирована конкретными примерами. Для реализации заявленной композиции используют строительный битум марки БН 90/10 по ГОСТ 6617, резиновую крошку фракции 2,5-4,5 мм, серу (серу техническую газовую комовую по ГОСТ 127.1-93), в качестве нефтяного диспергирующего агента - тяжелый газойль каталитического крекинга или асфальтит, а также полимер СБС для получения вяжущего по ГОСТ Р 52056 в соотношениях, приведенных в таблице.
Предлагаемое техническое решение иллюстрировано следующими примерами (таблица), где представлены данные о показателях качества разработанных композиций и о требованиях к битумам нефтяным дорожным по ГОСТ 33133 и полимерно-битумным вяжущим (ПБВ) по ГОСТ Р 52056.
Данные таблицы свидетельствуют о том, что оптимальные составы разработанных и испытанных композиций (примеры 2-4) обеспечивают расширение температурного интервала работоспособности вяжущих (за счет снижения температуры хрупкости и повышения температуры размягчения), повышение растяжимости при 25°С и 0°С, улучшение показателей после старения (снижение изменения температуры размягчения и изменения массы после старения).
Увеличение содержания глубокоокисленного гудрона (битума марки БН 90/10) до 60% мас. (пример 1) не позволяет получить вяжущее, соответствующее требованиям стандарта. Температура хрупкости -14°С, растяжимость при 25°С - 45 см, при 0°С - 1,5 см, изменение температуры размягчения после старения - 8°С ниже требований ГОСТ 33133 к соответствующей марке БНД 70/100.
Уменьшение содержания глубокоокисленного гудрона до 43% мас. (пример 5) с увеличением содержания прямогонного гудрона в композиции также не позволяет получать нормативное вяжущее по причине снижения температуры размягчения до 40°С, смещения значения глубины проникания иглы при 25°С за пределы нормируемого диапазона для марки БНД 100/130.
Дополнительное введение в состав композиции полимера СБС, как это показано на испытанных образцах (примеры 6-7), обеспечивает получение вяжущего, полностью соответствующего нормативным требованиям ГОСТ Р 52056 к марке ПБВ 60.
Однако, увеличение содержания полимера СБС до 4% мас. (пример 8) не позволяет получить вяжущее, соответствующее требованиям к глубине проникания иглы при 25°С и 0°С и эластичности, предъявляемым к марке ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056-2003.
Получение образца, представленного как пример 9, осуществляли в условиях и по порядку, согласно прототипу. При получении вяжущего в условиях прототипа (Пат. РФ №2519214) был получен образец, не соответствующий ГОСТ Р 52056 по показателям: глубины проникания иглы при 0°С, растяжимости при 25°С и 0°С, температуре хрупкости, эластичности при 25°С и 0°С.
Таким образом, преимущество предлагаемой композиции перед известной, заключается в том, что полученные резинобитумные вяжущие соответствуют требованиям ГОСТ Р 52056 по значениям эластичности при 25°С и 0°С к марке ПБВ 60, а также пластичности (растяжимости при 25°С, 0°С) и устойчивости к старению, в соответствии с требованиями ГОСТ 33133 к дорожным битумам марок БНД 70/100 и БНД 100/130.
Использование разработанной композиции позволяет получить рентабельные дорожные резинобитумные вяжущие с нормативными эксплуатационными характеристиками. При этом происходит существенное расширение сырьевой базы производства дорожных вяжущих (главным образом, за счет вовлечения тяжелого газойля каталитического крекинга и асфальтитов). Композиция позволяет решить и ряд экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды складируемой на нефтеперерабатывающих предприятиях элементной серой (продуктом переработки сероводорода) и снижением объемов хранящихся отработанных автопокрышек.
*Для прототипа массовое соотношение: глубокоокисленный гудрон (битум БН 90/10): резиновая крошка: сера элементарная: гудрон прямогонный: полиэтилен ПЭВД