ФОРМИРОВАНИЕ ДОРОГИ, ОСНОВАННОЙ НА ПОЛИУРЕТАНЕ
FORMATION OF ROAD BASED ON POLYURETHANE

Родственные заявки
Настоящая заявка заявляет права на приоритет предварительных патентных заявок США №61/619 430, поданной 3 апреля 2012 г., и №61/700 338, поданной 13 сентября 2012 г. Обе указанные выше патентные заявки включены в настоящий документ посредством ссылки полностью для всех целей.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее описание в целом относится к области формирования дороги и, более конкретно, к системам и способам формирования дороги, с использованием различного оборудования, такого как машины для регенерации и стабилизации, глиномялки, бетоноукладчики, ручные инструменты и т.п., чтобы нанести материалы на основе полиуретана на дорогу.
Уровень техники
Обычные дороги делают из бетона, асфальта и уплотненного грунта. Эти дороги подвергаются экстремальным стрессам от перепадов температуры, движения автотранспорта, ультрафиолетового (УФ) облучения, что, в конечном счете, приводит к дефектам полотна, таким как трещины и выбоины. Кроме того, бетонные дороги требуют большого количества тяжелого сырья, которое нужно транспортировать к месту строительства дороги, что чрезмерно дорого для дорог, расположенных в удаленных местах для доступа к рудникам, нефтяным и газовым месторождениям и т.п. Асфальт может быть использован для тех видов использования, которые требуют высокого уровня износостойкости. Однако, стоимость транспортировки тяжелого сырья, необходимого для этой системы, также чрезмерно дорога для многих видов использования.
Сущность изобретения
В настоящем документе предложены дороги, содержащие полиуретановые материалы. Дорога включает в себя несущий слой уплотненного на месте материала и/или слой износа, расположенный на несущем слое. Один или оба эти слоя могут включать в себя полиуретановый материал для связывания других компонентов в слое и для формирования более крепкой и долговечной структуры дороги, способной противостоять эксплуатационной нагрузке на него. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал добавляют к слою износа путем смешивания на месте грунта и/или чужеродного заполнителя с полиуретановым материалом или путем нанесения полиуретанового материала поверх существующего частично сформированного слоя износа. Несущий слой может включать или не включать в себя полиуретановый материал. Тип, концентрация, распределение и обработка полиуретанового материала в слое износа могут быть теми же самыми или отличающимися от таковых в несущем слое.
Кроме того, предложены способы формирования стабилизированной дороги. В некоторых вариантах реализации способ включает в себя измельчение имеющегося на месте грунта, с использованием машины для регенерации и стабилизации, распыление жидкой полиуретановой композиции (т.е. одного или более предшественников полиуретана) на измельченный грунт, тем самым формируя сочетание полиуретана и грунта, и уплотнение сочетания, чтобы сформировать дорогу. В некоторых вариантах реализации жидкий полиуретан подается из глиномялки, присоединенной непосредственно к машине для регенерации и стабилизации. В других вариантах реализации глиномялку размещают поблизости от машины для регенерации и стабилизации и подсоединяют, чтобы подавать жидкий полиуретан к распределяющим узлам машины для регенерации и стабилизации. Глиномялка может быть использована для смешивания двух или более предшественников полиуретана и/или для смешивания одного или более предшественников полиуретана со всем грунтом, используемым для строительства дороги, или его частью (т.е. с имеющимся на месте грунтом и/или чужеродным заполнителем).
В некоторых вариантах реализации два предшественника полиуретана, например полиол и изоцианат, объединяют в машине для регенерации и стабилизации (т.е. используя глиномялку, встроенный смеситель или некоторые другие средства) и вносят в один или оба слоя дороги как полиуретановую смесь. Например, машина для регенерации и стабилизации может быть оснащена смешивающим устройством, например, встроенным смешивающим устройством или порционным смешивающим устройством. Однако смешивающее устройство нуждается в очистке от полиуретановой смеси после завершения работы, чтобы предотвратить отверждение смеси непосредственно в смешивающем устройстве и закупорку смешивающего устройства.
В некоторых вариантах реализации два или более предшественника полиуретана, например полиол и изоцианат, сначала вносят в грунт и затем объединяют друг с другом, т.е. в исходные материалы, использованные для строительства одного или обоих слоев дороги. Например, один предшественник полиуретана может быть объединен с грунтовым материалом снаружи машины для регенерации и стабилизации до того, как он будет контактировать со вторым предшественником. Конкретно, два предшественника вносятся по отдельности в исходный материал, и затем этот исходный материал тщательно перемешивают с двумя предшественниками, тем самым объединяя два предшественника между собой, так же как и два предшественника с исходным материалом.
Также предложен способ формирования дороги. Способ включает обеспечение существующей асфальтовой или бетонной дороги, измельчение асфальтовой или бетонной поверхности в щебень, смешивание щебня с полиуретановой смесью, чтобы сформировать смесь, и вдавливание смеси в слой основания грунта. Смесь затем отверждается, тем самым формируя дорогу. Отвержденная смесь может быть практически непроницаемой для воды. В некоторых вариантах реализации смесь может включать один или более полиуретанов и термостабилизатор.
В некоторых вариантах реализации способ формирования дороги включает предоставление машины для регенерации и стабилизации. Машина для регенерации и стабилизации может быть сконфигурирована, чтобы размельчать имеющийся на месте грунт и вносить по меньшей мере один предшественник полиуретана в измельченный на месте грунт. К реализации способа приступают, измельчая имеющийся на месте грунт, используя машину для регенерации и стабилизации и объединяя измельченный на месте грунт с по меньшей мере одним предшественником полиуретана, используя машину для регенерации и стабилизации. Эта операция объединения формирует наполненный полиуретаном грунтовый материал. Наполненный полиуретаном грунтовый материал может включать или не включать в себя чужеродный заполнитель. В некоторых вариантах реализации наполненный полиуретаном грунтовый материал включает в себя чужеродный заполнитель, но не включает измельченный на месте грунт. Этот измельченный на месте грунт может быть приготовлен машиной для регенерации и стабилизации или каким-то другим оборудованием, например, глиномялкой. Реализация способа затем продолжается уплотнением наполненного полиуретаном грунтового материала, с использованием машины для регенерации и стабилизации, тем самым формируя слой дорожного полотна. В некоторых вариантах реализации слой дороги является слоем износа. Слой может быть непроницаем для воды.
В некоторых вариантах реализации способ также включает регулирование влагосодержания измельченного на месте грунта, используя машину для регенерации и стабилизации. Это регулирование может включать добавление воды в измельченный на месте грунт или удаление воды из измельченного на месте грунта, используя машину для регенерации и стабилизации. Например, вода может быть удалена нагреванием грунта или добавлением извести и/или другого водозахватывающего материала в грунт. Например, машина для регенерации и стабилизации может быть оснащена измерителем влажности, распылителем воды и/или нагревателем для испарения воды. Кроме того, в некоторых вариантах реализации машина для регенерации и стабилизации может быть сконфигурирована так, чтобы доводить температуру грунта до заранее определенного уровня, чтобы обеспечить различные свойства полиуретана (т.е. растекаемость, смешиваемость, отверждаемость).
В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один предшественник полиуретана включает в себя первый предшественник полиуретана и второй предшественник полиуретана. Первым предшественником полиуретана может быть изоцианат, тогда как вторым предшественником полиуретана может быть полиол. В некоторых вариантах реализации первый предшественник полиуретана и второй предшественник полиуретана смешивают, используя машину для регенерации и стабилизации до внесения в измельченный на месте грунт. В качестве варианта, первый предшественник полиуретана и второй предшественник полиуретана смешивают в измельченном на месте грунте после внесения в измельченный на месте грунт, используя машину для регенерации и стабилизации. Другими словами, первый предшественник и второй предшественник независимо вносят в имеющийся на месте грунт и только потом смешивают друг с другом и с грунтом. В некоторых вариантах реализации первый предшественник полиуретана и второй предшественник полиуретана по меньшей мере частично смешивают во время внесения в измельченный на месте грунт, используя машину для регенерации и стабилизации. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один предшественник полиуретана включает в себя изоцианат, в то время как полиол по существу не вносят в имеющийся на месте грунт.
В некоторых вариантах реализации способ также включает добавление упрочненного компонента в измельченный на месте грунт. Упрочненный компонент может быть базальтовым волокном, кварцевым волокном, стекловолокном, полипропиленовым волокном или различным их сочетанием. Упрочненный компонент может быть добавлен как часть по меньшей мере одного предшественника полиуретана. В качестве варианта, упрочненный компонент может быть добавлен отдельно от по меньшей мере одного предшественника полиуретана. В некоторых вариантах реализации упрочненный компонент также включает в себя диспергирующее вещество, которое, в свою очередь, включает в себя песок. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один предшественник полиуретана включает в себя термостабилизатор. Некоторые примеры подходящего термостабилизатора включают в себя гидроксид алюминия, гидроксид магния, триоксид сурьмы, пентоксид сурьмы, антимонит натрия, борат цинка, станнат цинка, гидростаннат цинка, красный фосфор, полифосфат аммония и их сочетания.
В некоторых вариантах реализации слой дороги включает в себя от 1% до 10 масс.% полиуретана. Один или более предшественник полиуретана может иметь вязкость от 20 сантипуаз до 2000 сантипуаз при 78 градусах Фаренгейта или, более точно, от около 600 сантипуаз до 1500 сантипуаз или даже от около 800 сантипуаз до 1200 сантипуаз. В некоторых вариантах реализации слой дороги имеет толщину от 0,5 дюймов (1,27 см) до 15 дюймов (38,1 см).
В некоторых вариантах реализации способ формирования дороги включает в себя внесение по меньшей мере одного предшественника полиуретана в размельченный на месте грунт, смешивание размельченного на месте грунта с по меньшей мере одним предшественником полиуретана так, что это смешивание формирует наполненный полиуретаном грунтовый материал, уплотнение наполненного полиуретаном грунтового материала, формирование тем самым слоя дорожного полотна, и отверждение наполненного полиуретаном грунтового материала, формирование тем самым отвержденного слоя. Отвержденный слой практически непроницаем для воды.
Также предложена машина для регенерации и стабилизации, включающая в себя модуль подачи предшественника полиуретана, сконфигурированный для подачи по меньшей мере одного предшественника полиуретана и модуль измельчения грунта, сконфигурированный для измельчения имеющегося на месте грунта. По меньшей мере какое-то смешивание по меньшей мере одного предшественника полиуретана и измельченного на месте грунта может быть осуществлено модулем измельчения грунта. Машина для регенерации и стабилизации также включает в себя модуль уплотнения для уплотнения наполненного полиуретаном грунтового материала и формирования неотвержденного слоя дорожного полотна.
Эти и другие варианты реализации далее описываются ниже со ссылкой на фигуры.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - поперечное сечение обычной асфальтовой системы мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.2 - поперечное сечение основанной на полиуретане системы мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.3 - блок-схема алгоритма способа изготовления полиуретановой дороги в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.4 - блок-схема алгоритма способа изготовления упрочненной полиуретановой дороги в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.5 - поперечное сечение основанной на полиуретане системы мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.6 - поперечное сечение основанной на полиуретане системы мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации.
Фиг.7А - схематическое представление машины для регенерации и стабилизации в соответствии с другими вариантами реализации.
Фиг.7В - схематическое представление другой машины для регенерации и стабилизации в соответствии с другими вариантами реализации.
Фиг.8 - схематическое представление системы мощения дороги, имеющей глиномялку и бетоноукладчик, в соответствии с другими вариантами реализации.
Осуществление изобретения
В следующем описании разъясняются многочисленные конкретные детали, чтобы обеспечить исчерпывающее понимание представленной концепции. Представленная концепция может быть осуществлена на практике без некоторых или всех этих конкретных деталей. В других случаях хорошо известные операции процесса не описаны подробно, чтобы не усложнять чрезмерно представленную концепцию. Если некоторые концепции будут описаны в связи с особенными вариантами реализации, следует понимать, что эти варианты реализации не предназначены для ограничения изобретения.
Введение
Обычные дороги включают в себя различные материалы, такие как асфальт, бетон, уплотненный грунт и другие подобные материалы. Полимерные материалы редко используют для связывания грунтов. Те материалы, которые используют, например, латекс, легко распадаются под воздействием факторов окружающей среды, таких, как вода, солнечный свет, механические стресс-факторы и т.п. Одним из примеров обычной дороги является асфальтобетонная система или просто асфальт.
Асфальт широко используют как материал для мощения дорог, взлетно-посадочных полос в аэропортах, автостоянок и покрытий для других видов использования. Обычная асфальтовая система содержит композит из битумного связующего и минеральных заполнителей, таких как камни, гравий или песок. Такие системы подвергаются ряду стресс-факторов, таких как колебания температуры, циклы замерзания и оттаивания, высокие нагрузки, которые со временем могут вызвать распад. Например, эксплуатация типичной системы мощения в жарком климате может вызывать деформацию и перемещение вследствие восприимчивости битумного связующего. УФ-облучение и окисление являются другими обычными стресс-факторами, которые вызывают порчу асфальтобетонной системы мощения. Нефтяная эрозия, вызываемая вытекшими нефтепродуктами, также, как правило, встречается на обычном асфальте, т.к. многие битумные связующие могут изменять свои свойства, если они контактируют с нефтепродуктами.
Стресс-факторы, описанные выше, могут вызывать некоторые повреждения обычного асфальта в форме полостей, трещин и проломов. Эти повреждения требуют дорогостоящего и трудоемкого ремонта, чтобы предотвратить усиление повреждений мощеного покрытия и предотвратить повреждения транспортных средств или другого оборудования, которое использует мощеное покрытие. Повреждение поверхности покрытия может обусловить инфильтрацию воды или других материалов в нижележащие слои основания и нарушить структурную целостность покрытия, в особенности при циклах замерзания-оттаивания. Например, вода может сдвинуть почвогрунты нижележащих слоев или может вызвать разрушение нижележащих металлических структурных компонентов.
Обычный способ укладки и ремонта асфальта требует высоких температур, чтобы расплавить битумные связующие, возникает масса проблем с вредными выбросами. Например, яму обычно заделывают, используя гудрон или горячую льющуюся битумную жидкость, которую обычно перевозят при 150°C. В качестве варианта, гудрон или битумную жидкость смешивают с дизельным топливом или транспортным керосином, которые затем отфильтровывают перед применением и впоследствии часто выбрасывают, производя тем самым отходы. Этот тип ремонтных работ дорог и трудоемок и может повторяться часто на тех территориях, где стресс-факторы особенно обременительны для мощеного покрытия. Материалы, применяющиеся для ремонта, обычно отличаются по цвету от нижележащего асфальтобетона, что приводит к неэстетичному и непривлекательному виду мощеного покрытия. Кроме того, конструкция обычной дороги требует большого количества тяжелого сырья, которое нужно транспортировать к месту мощения, что может оказаться чрезмерно дорого, если, например, дорогу нужно мостить в удаленных местах для доступа к рудникам, нефтяным и газовым месторождениям, лесосекам и т.п.
Механические и химические свойства поверхности обычной асфальтовой системы представляют собой риски для движущегося по ним транспорта, если поверхность остается не отремонтированной. Например, эти системы имеют неровную поверхность вследствие состава асфальта. Неровности поверхности могут быть несколько сглажены использованием минеральных заполнителей специфических размеров. Например, до некоторой степени более гладкой поверхности можно достичь использованием мелких минеральных заполнителей в противовес крупноразмерным, зазубренным минеральным заполнителям. Однако даже при использовании мелких минеральных заполнителей поверхность является неровной, и асфальтовое покрытие восприимчиво к таким проблемам, как деформация и потеря основного вещества, что может вызвать износ шин транспортных средств, которые движутся по поверхности. На долю замены шин приходится большая часть эксплуатационных расходов во многих отраслях промышленности, таких, как коммерческие перевозки и гонки. Другими рисками, исходящими от поверхности обычного асфальта, является риск аквапланирования во влажных условиях из-за скользкой поверхности покрытия. Потеря основного вещества, например, выбивание или расшатывание минеральных заполнителей, может также вызвать повреждения движущихся по поверхности автомобилей ударами камней, вылетающих из-под колес. Неровная поверхность может дополнительно затруднить удаление льда, т.к. лед застревает в углублениях неровной формы поверхности покрытия, что может обострить опасные условия путешествия.
Предложены способы формирования дороги с использованием полиуретановых материалов, а также оборудование для формирования такой дороги. В некоторых вариантах реализации машину для регенерации и стабилизации используют, чтобы измельчать имеющийся на месте грунт, и объединяют измельченный на месте грунт с по меньшей мере одним предшественником полиуретана, тем самым формируя наполненный полиуретаном грунтовый материал. В других вариантах реализации полиуретан может быть объединен с грунтом в глиномялке или с помощью другого оборудования. Реализация способа затем продолжается уплотнением наполненного полиуретаном грунтового материала, используя машину для регенерации и стабилизации или другое оборудование. Некоторые из этих операций могут быть осуществлены также другим оборудованием, например, миксерами и уплотнителями, которые могут не быть частью машины для регенерации и стабилизации. В некоторых вариантах реализации машину для регенерации и стабилизации не используют вовсе, и операции, изложенные выше, осуществляют другими типами оборудования. Кроме того, машина для регенерации и стабилизации может включать в себя разнородные модули, ответственные за различные операции, например, модуль подачи полиуретана, модуль измельчения грунта и модуль уплотнения грунта.
В контексте настоящего раскрытия, термин "имеющиеся на месте грунтовые материалы" относится к любым ранее существовавшим грунтовым материалам, таким как песок, мелкий песок, глина, камень и иные грунтовые материалы, которые находились ранее в месте формирования дороги и которые не транспортировались для этой цели. С другой стороны, любой материал (отличный от предшественника полиуретана), который ранее не присутствовал в грунте, может быть расценен как "чужеродный заполнитель". Другими словами, чужеродным заполнителем является материал, который доставлен на место строительства дороги из других мест, например, расположенных поблизости участков экскавации грунта. Некоторые примеры чужеродных заполнителей включают в себя песок, гравий, щебень и т.п. Другие примеры имеющихся на месте грунтовых материалов чужеродных заполнителей представлены ниже. В некоторых вариантах реализации как имеющийся на месте грунтовый материал, так и чужеродный заполнитель объединяют с одним или более предшественниками полиуретана. В качестве варианта, только один из имеющихся на месте материалов и чужеродный заполнитель может быть объединен с предшественником полиуретана. В некоторых вариантах реализации чужеродный заполнитель не используют для формирования дороги, и все материалы (отличные от предшественника полиуретана) и доставленные формируют грунт.
Измельченный на месте грунт и/или чужеродный заполнитель может быть объединен с одним предшественником полиуретана (т.е. изоцианатом), двумя предшественниками полиуретана (т.е. изоцианатом и полиолом) или большим количеством предшественников полиуретана. Если используют единственный предшественник полиуретана, он реагирует с материалом, присутствующим в измельченном на месте грунте, таким как вода. Если используют разнообразные предшественники полиуретана, эти предшественники могут реагировать друг с другом и, в некоторых вариантах реализации, с водой. По существу, влагосодержание измельченного на месте грунта можно тщательно контролировать во время обработки добавлением и/или удалением воды из измельченного на месте грунта и/или из имеющегося на месте грунта до измельчения. В некоторых вариантах реализации влагосодержание измельченного на месте грунта составляет от 5 масс.% до 20 масс.% во время смешивания размельченного на месте грунта с по меньшей мере одним предшественником полиуретана. Влагосодержание может зависеть от типа измельченного на месте грунта. Например, влагосодержание дробленого гранита может составлять от около 5-10 масс.%, тогда как влагосодержание супеси может составлять от около 10 масс.% до 20 масс.%.
Водоотверждаемым предшественником полиуретана может быть изоцианат или преполимер, который включает в себя некоторые изоцианаты. Содержание свободного NCO может составлять от около 3% до 25% в некоторых вариантах реализации. Различные примеры изоцианатов и преполимеров, включая композиции преполимеров, описываются ниже. Эти водоотверждаемые предшественники полиуретана могут включать в себя от около 5% до 50% нафтеновых и ароматических технических масел для более низкой вязкости и повышения объема материала (относительно цены), посредством этого улучшая показатели смачиваемости.
Если используют разнообразные предшественники полиуретана, эти предшественники могут быть объединены до того, как они будут введены в измельченный на месте грунт, во время введения в измельченный на месте грунт или после введения в измельченный на месте грунт. Например, изоцианат может быть смешан с полиолом в порционном миксере или, используя встроенный смеситель, перед подачей смеси в измельченный на месте грунт. Порционное смешивание может быть осуществлено в месте строительства дороги, чтобы уменьшить промежуток времени между смешиванием реагирующих компонентов и введением смеси в измельченный на месте грунт. Порционное смешивание позволяет точно контролировать состав, достигая хорошего распределения материалов внутри смеси и делая маленькие порции материала, но может нарушить непрерывность процесса строительства дороги. Встроенные миксеры могут предоставить эффективное смешивание без риска преждевременного отвержения после того, как материал внесен в измельченный на месте грунт непосредственно после смешивания. Однако такие миксеры нуждаются в тщательной очистке или удалении остатков после каждой операции смешивания. В некоторых вариантах реализации два или более предшественника объединяют в малую порцию для замеса, которая позже может быть удалена или очищена одним из предшественников, воздухом и/или растворителями.
По меньшей мере, некоторое смешивание может быть выполнено во время внесения двух или более предшественников полиуретана (предварительно не смешанных) в грунт за счет специфической ориентации и конструкции диспергирующих форсунок, создающих различные воздушные вихри, и другой подобной техники. Дальнейшее смешивание разнообразных предшественников полиуретана может быть выполнено в измельченном на месте грунте, как дополнительно описано ниже. В некоторых вариантах реализации не проводят смешивания предшественников полиуретана, и все смешивания выполняют после того, как эти предшественники были введены в измельченный на месте грунт. Эта особенность уменьшает необходимость очистки частей оборудования, которые контактируют со смешанным предшественником полиуретана. Например, резак/оборачиватель машины для регенерации и стабилизации, который используют, чтобы перемешанные разнообразные предшественники полиуретана и измельченный на месте грунт могли быть легко отчищены оборачиванием гравия или какого-нибудь другого абразивного заполнителя, который не содержит диспергированных предшественников полиуретана.
В дополнение к рационализации процесса мощения в целом и упрощению очистки оборудования смешивание разнообразных предшественников полиуретана с измельченным на месте грунтом делает возможным более тщательное распределение предшественника полиуретана в грунте и использование грунта как среды для смешивания, чтобы достичь высокой степени сдвига при смешивании, что может быть особенно удобно, когда в предшественнике полиуретана использованы твердые компоненты, например, волокна. В некоторых вариантах реализации тот же самый резак/оборачиватель машины для регенерации и стабилизации, который используют для измельчения имеющегося на месте грунта, также используют для смешивания разнообразных предшественников полиуретана с измельченным на месте грунтом. В некоторых вариантах реализации машина для регенерации и стабилизации может быть оснащена дополнительным оборудованием, которое используют, чтобы дальше объединять один или более предшественников полиуретана с измельченным на месте грунтом. Например, другое устройство для оборачивания грунта или смешивающее устройство может быть использовано на машине для регенерации и стабилизации и расположено после основного резака/оборачивателя относительно движения машины.
В некоторых вариантах реализации все разнообразные предшественники полиуретана вносятся в одном и том же месте относительно движения машины для регенерации и стабилизации. Внесение в одном и том же месте может помочь смешиванию предшественников, т.к. некоторое смешивание произойдет во время внесения. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один предшественник вносится в другом месте. Эта особенность может сделать возможным достижение по меньшей мере некоторого перемешивания между измельченным на месте грунтом и одним из введенных предшественников перед введением другого предшественника, т.е. реакцией между двумя предшественниками. Такой же подход разнесенного во времени введения другого предшественника полиуретана может быть использован, когда предшественник полиуретана объединяют с чужеродным заполнителем. Кроме того, разнесенное во времени введение другого предшественника полиуретана может быть использовано в глиномялке.
Дорога может включать в себя несущий слой и слой износа, расположенный на несущем слое. Один или оба эти слоя могут включать в себя полиуретановый материал, чтобы связать другие компоненты в слоях и чтобы сформировать более крепкую и долговечную структуру, способную противостоять эксплуатационной нагрузке на дорогу. Например, слой износа может включать в себя полиуретановый материал, который может быть применен в виде жидкости и, следовательно, может быть отнесен к применяемому в жидком виде полиуретановому материалу. В некоторых вариантах реализации несущий слой включает в себя применяемый в жидком виде полиуретановый материал. Полиуретановый материал слоя износа может быть тем же самым или иным, чем полиуретановый материал несущего слоя. Кроме того, концентрация полиуретанового материала в слое износа может быть той же самой или иной, чем концентрация полиуретанового материала несущего слоя.
Примеры формирования дороги
Машины для регенерации и стабилизации и другие типы оборудования, дополнительно описанные ниже, могут быть использованы, чтобы подготовить материалы новой поверхности из существующего дорожного полотна измельчением верхней части материала дорожного полотна и уплотнения оставшейся части. Эти машины могут включать в себя вращающиеся режущие узлы, скребки, шнеки и другие системы, сконструированные, чтобы измельчать, регенерировать, уплотнять, и другими способами стабилизировать непереработанные на месте грунтовые материалы или существующее дорожное полотно. Примерами машин для регенерации и стабилизации являются изготовленные Terex в Вестпорт, шт. Коннектикут, номера моделей R350 и R446 для мелких работ с глубиной срезания ниже 10 дюймов и номер модели RS950B для дорог с глубиной срезания до 20 дюймов, пригодные для формирования более долговечных несущих слоев в соответствии с другими вариантами реализации.
В некоторых вариантах реализации машину для регенерации и стабилизации задействуют в месте, где желательно строительство дороги. Машину для регенерации и стабилизации используют, чтобы сформировать слой износа и/или несущий слой из имеющихся на месте грунтовых материалов, измельчая, срезая и/или соскребая имеющиеся на месте грунтовые материалы и затем уплотняя их в плотный или "стабилизированный" грунтовый слой дороги. Несущий слой может быть сформирован при глубине от 12 дюймов до 20 дюймов в имеющемся на месте грунтовом материале. Слой износа может иметь толщину от 0,5 дюймов до 16 дюймов или, более точно, от 2 дюймов до 6 дюймов. Толщина слоя износа зависит от вида использования (т.е. требований нагруженности) дороги и целостности основания. Например, дороги, используемые для пешеходного движения и движения легких транспортных средств (т.е. велосипедов, гольф-мобилей, мотоциклов, и т.п.) могут иметь такой тонкий слой износа, как 0,5 дюймов. Дороги, по которым нужно обеспечить движение тяжелой техники, могут иметь более толстые слои износа. В некоторых вариантах реализации слой износа может быть использован при практическом отсутствии несущего слоя или с несущим слоем с очень тонкой опорой. Одним из примеров таких дорог является дорога, которая подвергается множественным циклам замерзания-оттаивания, что вызывает смещение материалов в несущем слое. Эта дорога может быть сформирована с достаточно прочным слоем износа, который не требует зависимой поддержки от несущего слоя. Этот слой износа можно уподобить корке льда, поддерживаемой водой. В некоторых вариантах реализации держащийся на воде слой износа может быть сделан шире, чем обычно, чем было бы необходимо для дороги (т.е. 40 футов шириной) чтобы распределить нагрузку по большей площади. Следовательно, дороги на основе полиуретана могут быть выполнены так, чтобы вынести большие нагрузки даже при чрезвычайно слабых и подвижных основаниях.
Один или более предшественников полиуретана могут быть поданы в измельченный на месте грунт, например, имеющийся на месте грунт, после того, как он будет измельчен, по меньшей мере, частично. В некоторых вариантах реализации один или более предшественников полиуретана подают в имеющийся на месте грунт в момент, когда этот грунт измельчают. Операцию измельчения используют, чтобы обеспечить некоторое смешивание грунта и предшественника полиуретана и, в некоторых вариантах реализации полное смешивание. Дополнительное смешивание может быть предоставлено после операции измельчения. Например, может быть осуществлено дополнительное покачивание измельченного на месте грунта, содержащего один или больше предшественников полиуретана.
Массовое отношение имеющегося на месте грунта к одному или более полиуретановым материалам может составлять от около 30:1 до 10:1 или, более конкретно, от около 25:1 до 12:1 или, еще более конкретно, от около 20:1 до 16:1. Даже при очень низком содержании полиуретана полученный в результате слой имеет достаточную степень стабилизации (например, "R-значение") по сравнению с обычной системой мощения. В контексте данного раскрытия "R- значение" рассчитывают, используя California Test 301, опубликованный в марте 2000 г. департаментом транспорта штата Калифорния, и который полностью включается в настоящий документ посредством ссылки. В соответствующей части California Test 301 излагает: "R-значение материала определяют, когда материал находится в состоянии насыщения, так что вода будет выделяться из уплотненного тестового образца при применении к нему нагрузки в 16,8 кН (2,07 МПа). Т.к. не всегда возможно приготовить тестовый образец, который будет выделять воду при указанной нагрузке, необходимо испытать серию образцов, приготовленных при различном влагосодержании." Дальнейшие подробности, относящиеся к тестированию R-значения, можно найти в главе 600 руководства «California Highway Design». Результаты экспериментов показывают R-значения 25-48 для различных типов грунтов и нагруженности полиуретаном. Например, образец, изготовленный с использованием моноблочного полиуретана (например, водоотверждаемого), имеющего концентрацию 5 масс.% в раздробленном граните (95 масс.%), имеет R-значение 41. Если 5,5 масс.% подобного полиуретана добавляли к щебню (94,5 масс.%), R-значение составляло 48. В конечном счете, 3% этого полиуретана, смешанного с 97% супеси, приводило к R-значению 25. В некоторых вариантах реализации R-значение полученной в результате дороги составляет от около 15 до 60 для слоя износа (например, верхнего слоя) или, более конкретно, от около 30 до 50, Моноблочный полиуретан может включать в себя один или более дифенилметан-диизоцианат (например, MONDUR MRS 5, доступный у Bayer Material Science LLC в Питсбурге, шт. Пенсильвания) и MONDUR MR-Light, также доступный у Bayer Material Science LLC в Питсбурге, шт. Пенсильвания) и, например, катализатор. В особых вариантах реализации массовая доля MONDUR MRS 5 в рецептуре может составлять от около 50% до 90% или, более конкретно, от около 60% до 80% или даже более конкретно от около 70% до 75%. Массовая доля MONDUR MR Light в рецептуре может составлять от около 1% до 50% или, более конкретно, от около 10% до 40% или даже более конкретно, от около 20% до 30%.
Низкое отношение грунта к полиуретану может быть использовано для повышения степени стабилизации, или R-значения, как желательно, например, отношения грунта к полиуретану 25:1, 22:1, или 20:1 обеспечивают повышение стабильности грунта. В некоторых вариантах реализации несущий слой должен использовать отношение больше, чем 22:1 (т.е. от около 22:1 до 30:1 или, более конкретно, от 25:1 до 30:1) для видов использования, которые будут получать дополнительный слой износа наверху несущего слоя. После формирования несущего слоя, слой износа добавляют на верх несущего слоя. В некоторых вариантах реализации способ не включает в себя новое формирование несущего слоя, и используется ранее существовавший несущий слой.
По выбору, несущий слой можно отвердить до нанесения слоя износа. Продолжительность отверждения для несущих слоев, сформированных полиуретаном, обычно составляет от 8 часов до 48 часов в зависимости от влагосодержания и плотности укладки несущего слоя. Несущий слой может также включать в себя асфальт, цемент, зольную пыль или другие материалы, обычно используемые для улучшения стабилизации грунта, и по выбору может быть дано достаточное время для отверждения этих материалов до того, как добавят слой износа.
Слой износа может быть сформирован поверх несущего слоя, используя машину для регенерации и стабилизации и регулируя ее, чтобы сформировать более мелкий срез, чем использованный для формирования несущего слоя, описанного выше. Хотя несущий слой в типичном случае формируют толщиной от 12 дюймов до 20 дюймов, слой износа может быть в пределах от 1 до 8 дюймов толщиной, предпочтительно 4 дюйма толщиной в некоторых вариантах реализации. Машина для регенерации и стабилизации может быть отрегулирована в зависимости от ситуации, чтобы сделать более мелкий срез в несущем слое при желаемой толщине, например, 4 дюйма глубиной, и жидкую полиуретановую смесь наносят во время этого процесса, используя распыляющие головки в машине для регенерации и стабилизации. Например, машина для регенерации и стабилизации может быть оснащена акустическим локатором для контролирования профиля грунта и глубины срезания/оборачивания. Установлено, что предпочтительный способ подачи жидкого полиуретана к машине для регенерации и стабилизации - посредством глиномялки, чтобы поддерживать полиуретан в хорошо смешанном состоянии и готовым к внесению по мере необходимости. В некоторых вариантах реализации глиномялку встраивают или присоединяют к инструменту регенерации и стабилизации. В других вариантах реализации глиномялка является отдельной системой, которая подает жидкий полиуретан к машине для регенерации и стабилизации и может размещаться на прицепе позади или транспортироваться отдельным транспортным средством. Предпочтительным вариантом реализации глиномялки является двухвальный смеситель со шнековой системой, как обычно известно специалистам.
Фиг.1 - поперечное сечение обычной асфальтовой системы 100 мощения, в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Асфальтовая система 100 мощения включает в себя минеральные заполнители 102 и полиуретановое связующее вещество 104. Асфальтовая система мощения, кроме того, содержит отверстие 106 или нарушение поверхности асфальтовой системы 100 мощения.
Упрочненная или герметизированная система мощения смягчает проблемы повреждения дороги и износа шин, описанные выше, делая поверхность более гладкой, и в основном предотвращая повреждения дороги от таких стрессовых факторов, как перепады температуры, УФ облучение, эрозия от нефтепродуктов и движение автотранспорта, как описано выше. Полиуретановый материал обеспечивает повышенное сопротивление проскальзыванию и высокий влажностной коэффициент трения для уменьшения риска гидропланирования во влажных условиях, особенно если полиуретановый материал включает в себя один или более вид наполнителей, например, волокна, песок и т.п., в дополнение к предшественнику полиуретана. Разглаженная топографическая поверхность также улучшает шумовые характеристики битумной дороги и улучшает качество езды. Герметизация и упрочнение битумной дороги снижает потери основного вещества, что снижает повреждения автомобилей вследствие ударов от выпавших минеральных заполнителей. Удаление льда также становится легче при реализации более гладкой топографической поверхности.
Асфальтобетонная система мощения может быть герметизирована с использованием полиуретанового материала, который покрывает верхнюю поверхность системы мощения. В некоторых вариантах реализации материал может быть нанесен распылением полиуретановой смеси на верхнюю поверхность асфальтово-бетонной системы мощения, чтобы создать герметизированную битумизированную дорогу.
Фиг.2 - поперечное сечение стабилизированной дороги 200 в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Стабилизированная дорога 200 включает в себя несущий слой 208. Несущий слой 208 может включать в себя более крупные зерна 202 заполнителя и более мелкие зерна 204 заполнителя. Более мелкие зерна 204 заполнителя образуют поры в пространстве между более крупными зернами заполнителя. Более крупные зерна 202 заполнителя и более мелкие зерна 204 заполнителя могут быть сформированы из имеющегося на месте грунта и/или чужеродного заполнителя. Отверстие 206 размещают в несущем слое 208. Герметизирующий слой 210 размещают на несущем слое 208, по существу покрывающем верхнюю поверхность несущего слоя и заполняющем место отверстия. Верхняя поверхность герметизирующего слоя 210 имеет по существу непрерывную и однородную форму поверхности в противоположность верхнему слою несущего слоя 208, который имеет зазубренную и прерывистую форму поверхности.
В некоторых вариантах реализации может быть предоставлена упрочненная система мощения. Существующая асфальтовая система мощения может быть измельчена, чтобы сформировать битумную крошку и смешана с одним или более предшественником полиуретана, чтобы создать смесь. Смесь затем может быть распределена поверх обработанного или необработанного основания и оставлена для отверждения. В дополнение к созданию более герметичной структуры дорожного покрытия, эти варианты реализации также предлагают способ повторного использования существующего асфальтового покрытия. Повторное использование или регенерация существующего асфальтового покрытия исключает необходимость покупки новых минеральных заполнителей, сберегая деньги, уменьшая использование природных ресурсов и исключая необходимость захоронения асфальтовых отходов. Если регенерацию завершают на месте, транспортные издержки также значительно уменьшаются вследствие исключения необходимости перевозить дополнительные заполнители и необходимости транспортировать удаленный асфальтовый кроющий материал на свалку.
Регенерация и повторное использование систем мощения, которые иначе могли бы быть выброшены на свалку или сожжены, может привести к возможностям для приобретения квот на выброс углерода для партий, вовлеченных в сооружение и обслуживание систем дорожного покрытия. Использование полиуретанового материала в качестве герметизирующего агента или средства ремонта уменьшает количество вредных для окружающей среды выбросов, которые обычно ассоциируются с сооружением стандартного дорожного покрытия, методами ремонта и с заменой существующей системы мощения. Успехи в уменьшении выбросов, связанные с использованием полиуретановых материалов, могут также создать возможность для приобретения квот на выброс углерода.
Полиуретановый материал может быть использован в сочетании с другими программами квот на выброс углерода. Например, полиуретановые материалы могут быть использованы в сочетании с биоасфальтами в некоторых вариантах реализации. Биоасфальты могут включать в себя асфальтобетон, содержащий битум, изготовленный из сахара, мелассы, риса, кукурузного крахмала, картофельного крахмала или из продуктов фракционной перегонки моторного масла. Биоасфальты обеспечивают дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что они показывают разнообразие цветов в зависимости от варианта реализации. В большинстве случаев, поверхности более светлого цвета абсорбируют меньше теплоты, чем поверхности более темного цвета. Биоасфальты используют, например, на участках, которые склонны к эффекту городского теплового острова для снижения абсорбирования тепла поверхностью. Использование полиуретановых материалов в сочетании с биоасфальтами может дать возможность для приобретения дополнительных квот на выброс углерода.
Фиг.3 является блок-схемой, иллюстрирующей различные операции процесса 300 для изготовления герметизированной дороги в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Процесс 300 может начинаться созданием дороги в операции 302. Например, может быть предоставлена битумизированная дорога. Процесс 300 может продолжаться нанесением полиуретановой смеси на верхнюю поверхность дороги в операции 304. В некоторых вариантах реализации нанесение полиуретановой смеси на верхнюю поверхность дороги может включать в себя распыление полиуретановой смеси на верхнюю поверхность дороги, используя безвоздушный распылитель, чтобы сформировать непрерывную и однородную поверхность. В других вариантах реализации нанесение полиуретановой смеси на верхнюю поверхность дороги может включать в себя наливание полиуретановой смеси на верхнюю поверхность и распыление полиуретановой смеси на верхнюю поверхность, чтобы сформировать в основном непрерывную и однородную поверхность. Процесс 300 может продолжаться оставлением полиуретановой смеси для отверждения, чтобы сформировать герметизированный слой в операции 306. По выбору, стадия оставления полиуретановой смеси для отверждения может включать в себя использование искусственных средств, чтобы ускорить отверждение, например, через использование воздушных потоков или применение тепла. По выбору, стадия применения дополнительного текстурирования поверхности может быть применена в то же самое время или перед стадией отверждения полиуретановой смеси.
В некоторых вариантах реализации упрочненное битумизированное покрытие может быть произведено путем повторного использования существующего асфальтового покрытия. Например, существующая асфальтовая система мощения может быть регенерирована на месте и асфальтобетон измельчен, чтобы сформировать битумную крошку желаемого размера и плотности. Крошка может затем быть смешана с полиуретановой смесью, чтобы создать смесь, которая затем может быть нанесена на основание и оставлена для отверждения. Полиуретан действует как связующее вещество для регенерированной крошки. За регенерацией асфальтобетона может непосредственно следовать измельчение материала и смешивание полиуретанового материала на месте, используя мобильный регенератор или мобильный миксер. Полиуретановая смесь в упрочненном битумизированном покрытии может покрывать площадь от 20 до 50 квадратных футов на галлон, например, от 20 до 30 квадратных футов на галлон.
Фиг.4 является блок-схемой, иллюстрирующей различные операции процесса 400 для изготовления новой дороги в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Дорога может быть дорогой для вождения автомобилей (т.е. дорогой шириной 10 футов), пешеходной дорожкой (т.е. тротуаром, парковой дорожкой), основой для железнодорожной колеи, парковкой и т.п. Новая дорога может быть построена поверх существующей дороги, которая может включать в себя, например, упрочненное битумизированное покрытие. Существующая дорога может быть использована, чтобы создать несущий слой. Например, несущий слой может остаться нетронутым или новый несущий слой может быть сформирован, по меньшей мере частично, из материалов существующего несущего слоя. По существу, материалы существующих дорог относятся к имеющимся на месте грунтовым материалам. В качестве варианта, новая дорога может быть построена в местности, в которой раньше не было каких-либо дорог. Материалы, присутствующие в грунте, могут также быть отнесены к имеющимся на месте грунтовым материалам. Независимо от присутствия или отсутствия предыдущих дорог, имеющиеся на месте грунтовые материалы могут быть использованы, чтобы сформировать новую дорогу. Эти имеющиеся на месте грунтовые материалы могут быть измельчены или не измельчены. Измельченные имеющиеся на месте грунтовые материалы могут быть объединены по меньшей мере с одним предшественником полиуретана и, в некоторых вариантах реализации, с чужеродными заполнителями. Кроме того, различные упрочняющие компоненты, такие как базальтовое волокно, кварцевое волокно, стекловолокно, полипропиленовое волокно, могут быть добавлены как чужеродный заполнитель или как часть одного или более предшественников полиуретана. В целом, процесс 400 может начинаться предоставлением имеющегося на месте грунта во время операции 402. В некоторых вариантах реализации имеющимся на месте грунтом, предоставляемым во время операции 402, может быть ранее существовавшая асфальтовая дорога. Этот тип дороги может включать в себя отвержденный асфальтово-бетонный композит, который может быть измельчен (как объяснено ниже) или оставаться нетронутым в качестве несущего слоя.
В некоторых вариантах реализации процесс 400 может включать предоставление машины для регенерации и стабилизации. Примеры различных машин для регенерации и стабилизации описаны ниже со ссылкой на фиг.7А и 7B. Машина для регенерации и стабилизации может быть сконфигурирована так, чтобы размельчать имеющийся на месте грунт и чтобы подать по меньшей мере один предшественник полиуретана в измельченный на месте грунт, как дополнительно описано ниже.
Процесс 400 может продолжаться измельчением имеющегося на месте грунта во время необязательной операции 404. Например, отвержденный асфальтово-бетонный композит может быть измельчен в битумную крошку. По выбору, стадия измельчения отвержденного асфальтово-бетонного композита в битумную крошку может предшествовать стадии удаления отвержденного асфальтово-бетонного композита из основания. В некоторых вариантах реализации имеющийся на месте грунт не измельчают и используют как несущий слой. Полиуретановые материалы могут быть налиты поверх имеющегося на месте грунта, позволяя некоторым полиуретановым материалам проникать в имеющийся на месте грунт. Кроме того, чужеродный заполнитель может быть подан и объединен с полиуретановыми материалами и этим комбинированным слоем поверх имеющегося на месте грунта.
Операция 404 может включать в себя срезку и оборачивание имеющегося на месте грунта, используя режущее колесо машины для регенерации и стабилизации. Степень измельчения может определяться конструкцией режущего колеса, скоростью вращения колеса, линейной скоростью машины для регенерации и стабилизации и другими факторами. В некоторых вариантах реализации линейная скорость машины для регенерации и стабилизации составляет от около 0,1 миль в час до 2,5 миль в час или, более конкретно, от около 0,5 миль в час до 1,5 миль в час. Машина для регенерации и стабилизации может быть оснащена локаторной системой для контроля глубины измельчения. В некоторых вариантах реализации машина для регенерации и стабилизации оснащена системой глобального позиционирования (GPS), чтобы контролировать скорость и положение машины для регенерации и стабилизации. В дополнение к контролированию скорости машины для регенерации и стабилизации, измельчение можно контролировать регулированием зазора между срезающим/оборачивающим колесом и лопастями и стенками отсека, окружающего колесо. Зазор может быть изменен от 0,5 футов до 2 футов в некоторых вариантах реализации.
Процесс 400 затем включает внесение по меньшей мере одного предшественника полиуретана в имеющийся на месте грунт или в чужеродный заполнитель. По меньшей мере один предшественник полиуретана может быть подан в грунт перед его измельчением, во время его измельчения и/или после его измельчения, как дополнительно описано ниже со ссылкой на фиг.7А. Если используют разнообразные предшественники, различные предшественники могут быть добавлены на различных стадиях процесса измельчения (например, до, во время или после). Если один или более предшественников добавляют после того, как имеющийся на месте грунт был измельчен, дополнительное оборачивание грунта может быть осуществлено, чтобы гарантировать смешивание имеющегося на месте грунта и предшественников.
Если используют разнообразные предшественники, эти предшественники могут быть смешаны вместе до внесения в грунт, во время внесения в грунт и/или после внесения в грунт. Предварительное смешивание предшественников перед внесением может быть использовано, чтобы гарантировать адекватный контакт между различными предшественниками. Однако оборудование часто нужно тщательно отчистить от смеси после того, как внесение завершено, чтобы избежать отверждения полиуретана непосредственно на оборудовании. Смешивание предшественников в грунте может помочь распределить некоторые предшественники через увлажнение имеющегося на месте грунта с одним или более компонентом перед внесением другого компонента. Например, вода может быть использована как один из предшественников полиуретана и может уже присутствовать в грунте или быть введена на ранней стадии процесса. С другой стороны, катализатор может быть последним предшественником, введенным в грунт. Задержка введения катализатора может быть использована, чтобы гарантировать адекватное смешивание имеющегося на месте грунта с другими предшественниками раньше отверждения полиуретана. Другими словами, отверждение задерживают, что позволяет провести другие операции, например, смешивание.
Количество предшественников полиуретана, внесенных в имеющийся на месте грунт, зависит от конструкции дороги (т.е. желаемой прочности), типа имеющегося на месте грунта, типа предшественника полиуретана и других факторов. В некоторых вариантах реализации массовое отношение всех предшественников полиуретана к имеющемуся на месте грунту, который получили эти предшественники, может составлять от около 2 масс.% до 20 масс.% или, более конкретно, от около 5 масс.% до 10 масс.%. Следует заметить, что некоторый имеющийся на месте грунт и даже некоторый измельченный на месте грунт может быть в основном свободен от предшественника полиуретана, и этот грунт не используют, чтобы определить массовую долю предшественника полиуретана. Кроме того, распределение предшественника полиуретана в измельченном на месте грунте может быть неравномерным. Например, ближе к поверхности дороги может быть больше предшественников полиуретана, чем дальше от поверхности. В некоторых вариантах реализации дорога может иметь два или более явно различимых слоя, различие между которыми основывается на количестве предшественника полиуретана, имеющегося в этих слоях.
В некоторых вариантах реализации процесс 400 может продолжаться смешиванием имеющегося на месте грунта (т.е. измельченного на месте грунта, или еще более конкретно, предварительно битумизированного щебня) с одним или более предшественником полиуретана (т.е. полиуретановой смесью), чтобы сформировать смесь в операции 406. Смешивание предшественников и имеющегося на месте грунта может быть осуществлено, с использованием того же устройства, которое используют, чтобы измельчить имеющийся на месте грунт. В некоторых вариантах реализации дополнительные устройства могут быть использованы, чтобы обеспечить адекватное смешивание ранее измельченного грунта и предшественника полиуретана. Например, одно устройство может быть использовано, чтобы измельчить имеющийся на месте грунт, в то время как другое устройство может быть использовано, чтобы смешать измельченный на месте грунт с одним или более предшественником полиуретана. В некоторых вариантах реализации оба эти устройства могут быть использованы для смешивания имеющегося на месте грунта с одним или более предшественником полиуретана. Другими словами, некоторое взаимное перемешивание может происходить во время измельчения имеющегося на месте грунта, и дополнительное смешивание создается другим оборудованием.
Процесс 400 может продолжаться вдавливанием смеси в покрытие слоя основания в операции 408. Различные типы оборудования могут быть использованы для этой цели, например, один или более каток, виброуплотнитель грунта, трамбовки, виброплиты и т.п. В некоторых вариантах реализации каток может быть кулачковым барабаном и/или виброкатком. В целом, может быть использован любой из следующих способов уплотнения: неподвижный, ударный, вибрирующий, вращающийся, прикатывающий, замешивающий и их различные сочетания. В некоторых вариантах реализации степень уплотнения почвы составляет по меньшей мере около 90% или даже по меньшей мере около 95% после операции 408.
По выбору, операции 408 может предшествовать стадия очистки основания дорожного покрытия в подготовке для применения смеси. Необязательная стадия очистки основания может включать сглаживание или выравнивание слоя грунта и/или применение гравийного несущего слоя. Процесс 400 может продолжаться оставлением для отверждения смеси или, более конкретно, предшественника полиуретана в смеси в операции 410. По выбору, отверждение может включать в себя использование искусственных средств, чтобы сократить продолжительность отверждения, например, использование воздушных потоков или применение тепла. В некоторых вариантах реализации текстурирование слоя дороги осуществляют до полного отверждения предшественника полиуретана, т.е. в пределах 8 часов от операции уплотнения 408 или, более конкретно, в пределах 4 часов или даже в пределах 2 часов. По выбору, стадия применения дополнительного текстурирования поверхности может быть применена в то же самое время или перед стадией отверждения смеси.
Фиг.5 - схематическое поперечное сечение основанной на полиуретане системы 500 мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Система 500 мощения включает в себя крупные частицы 502 (т.е. минеральные заполнители), мелкие частицы 503 (т.е. песок, пыль, грунт, волокна, и т.п.) и полиуретановое связующее вещество 501. В некоторых вариантах реализации некоторые или все крупные частицы 502 формируют измельчением имеющегося на месте грунта. В этом или в других вариантах реализации некоторые или все крупные частицы 502 могут быть добавлены к имеющемуся на месте грунту. Подобным образом, в некоторых вариантах реализации некоторые или все мелкие частицы 503 формируют измельчением имеющегося на месте грунта. В этом или в других вариантах реализации некоторые или все мелкие частицы 503 могут быть добавлены к имеющемуся на месте грунту. Если частицы (крупные и/или мелкие) добавляют в имеющийся на месте грунт, эти частицы могут быть сначала смешаны с одним или более предшественником полиуретана, внесены в измельченный на месте грунт, и/или внесены в имеющийся на месте грунт во время или перед его измельчением. Например, волокна могут быть добавлены к одному из предшественников полиуретана или введены непосредственно в измельченный на месте грунт.
Фиг.5 иллюстрирует систему 500 мощения как отдельный слой, который может быть создан поверх основания (не показано), который может включать в себя или не включать в себя полиуретановое связующее вещество. Распределение крупных частиц 502 и/или мелких частиц 503 может быть равномерным в пределах этого слоя (как показано на фиг.5) или неравномерным (не показано). Например, более крупные частицы 502 могут быть размещены дальше от поверхности слоя, тогда как более мелкие частицы 503 могут быть размещены ближе к поверхности слоя. Такое распределение может быть использовано, чтобы сформировать систему мощения с преимущественно однородными поверхностями. Подобным образом, распределение полиуретанового связующего вещества внутри слоя может быть равномерным или неравномерным. Полиуретановое связующее вещество 501 применяют, чтобы улучшить R-значение и стабильность дороги. В этом варианте реализации отдельный набор операций, описанных выше используют, чтобы сформировать систему 500 мощения и дополнительный слой износа не формируют поверх этой системы 500 мощения.
Фиг.6 - схематическое поперечное сечение основанной на полиуретане системы 600 мощения в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Система 600 мощения включает в себя крупные частицы 603 (т.е. минеральные заполнители) объединенные с мелкими частицами 602 (т.е. образованные из имеющегося на месте грунта). Некоторые примеры мелких частиц 602 включают в себя песок, пыль, грунт и т.п. Полиуретановое связующее вещество 601 применяют, чтобы улучшить R-значение и стабильность несущего слоя 604 дороги. В этом варианте реализации два отдельных слоя системы 600 мощения формируют, используя машину для регенерации и стабилизации, несущий слой 604 и слой износа 608. Слой износа 608 обычно тоньше, чем несущий слой 604. Слой износа 608 может быть использован, чтобы улучшить устойчивость дороги к движению автотранспорта.
Примеры машин для регенерации и стабилизации
Фиг.7А - схематическое представление машины 700 для регенерации и стабилизации в соответствии с другими вариантами реализации. Машина 700 для регенерации и стабилизации может быть использована, чтобы подготовить новые материалы поверхности из существующего дороги измельчением материала дороги и уплотнением оставшегося грунта. Машина 700 для регенерации и стабилизации может включать в себя вращающийся режущий узел, один или более скребок, шнеки и другие системы, разработанные, чтобы измельчать, регенерировать, уплотнять и другими способами стабилизировать обработанные или необработанные на месте грунтовые материалы или существующее дорожное полотно. Конкретно, машина 700 для регенерации и стабилизации может быть сконфигурирована так, чтобы осуществить одну или более из следующих операций: измельчить имеющийся на месте грунт, внести по меньшей мере один предшественник полиуретана, смешать внесенный предшественник полиуретана с имеющимся на месте грунтом, чтобы сформировать смесь и чтобы уплотнить смесь. В некоторых вариантах реализации машина 700 для регенерации и стабилизации сконфигурирована так, чтобы выполнять несколько операций или больше операций. Например, уплотнение грунта может быть осуществлено каким-то оборудованием, отличным от машины 700 для регенерации и стабилизации. В этом же или другом примере машина 700 для регенерации и стабилизации может быть также сконфигурирована так, чтобы добавлять дополнительные заполнители в имеющийся на месте грунт (т.е. камни, волокно), которые изначально не присутствовали в имеющимся на месте грунте.
Машина 700 для регенерации и стабилизации, показанная на фиг.7А, включает в себя три модуля: модуль 702 подачи полиуретана, модуль 704 измельчения грунта, и модуль 706 уплотнения грунта. Модуль 702 подачи полиуретана сконфигурирован так, чтобы подавать один или больше предшественников полиуретана. Он может быть выполнен в форме платформы с одним или более контейнером, содержащим предшественник полиуретана. В некоторых вариантах реализации грузы или барабаны размещают на платформе. Модуль 704 измельчения грунта может быть сконфигурирован так, чтобы измельчить имеющийся на месте грунт, и может включать в себя колесо, срезающее/оборачивающее грунт. Модуль 706 уплотнения грунта может включать в себя может включать в себя кулачковый барабан и/или виброкаток. В некотором варианте реализации модуль 706 уплотнения грунта также включает в себя ряд резиновых шин, которые дополнительно помогают в уплотнении грунта. В некоторых вариантах реализации машина 700 для регенерации и стабилизации включает в себя меньше или больше модулей. Например, модуль 702 подачи полиуретана может быть объединен с модулем 704 измельчения грунта и/или модулем 706 уплотнения грунта. Один такой пример далее описан ниже со ссылкой на фиг.7B.
В дополнение к подаче одного или больше предшественников полиуретана, измельчению имеющегося на месте грунта и уплотнению грунта, машина 700 для регенерации и стабилизации также сконфигурирована так, чтобы смешивать предшественники полиуретана друг с другом (если используют разнообразные предшественники) и с измельченным на месте грунтом. Фиг.7А иллюстрирует, что модуль 704 измельчения грунта сконфигурирован так, чтобы осуществить такую функцию. Однако другие модули также могут быть использованы, чтобы выполнить эти функции. Конкретно, показан модуль 704 измельчения грунта, который включает в себя насос 708 для выкачивания одного или более предшественников полиуретана из модуля 702 подачи полиуретана. В некоторых вариантах реализации каждый предшественник полиуретана имеет назначенный насос. Показан модуль 704 измельчения грунта, который включает в себя миксеры 710а-710с для предшественников полиуретана и диспенсеры 712а-712с для предшественников полиуретана. Хотя показано три набора (каждый включает в себя один миксер и один диспенсер), любое количество наборов может быть использовано. Кроме того, один миксер может снабжать несколько диспенсеров. В некоторых вариантах реализации миксер и диспенсер могут быть интегрированы в одно и то же устройство. Диспенсеры могут вносить смешанные предшественники полиуретана перед измельчением грунта (т.е. диспенсер 712а), во время измельчения грунта (т.е. диспенсер 712b), и/или после измельчения грунта (т.е. диспенсер 712с).
Фиг.7B - схематическое представление другой машины 720 для регенерации и стабилизации, в соответствии с другими вариантами реализации. Эта машина 720 для регенерации и стабилизации представляет собой отдельный модуль и может быть использована для операций на крутых холмах и в других труднодостижимых областях. Все операции по формированию дороги осуществляются этим отдельным модулем. Чтобы получить доступ к труднодостижимым местам, машина 720 для регенерации и стабилизации использует гусеницы 726 (вместо колес) и может быть оснащена лебедкой 728. Во время работы, лебедка 728 может быть подсоединена к другому объекту 730 кабелем 729, предоставляющим дополнительное усилие для перемещения машины 720 для регенерации и стабилизации. Машина 720 для регенерации и стабилизации включает в себя режущее/оборачивающее колесо 722, а также уплотняющий грунт барабан 724. Система внесения полиуретана не показана, но она может быть сходна с системой, описанной выше со ссылкой на фиг.7А.
Фиг.8 - схематическое представление системы 800 мощения дороги, в соответствии с другими вариантами реализации. Система 800 мощения дороги может включать в себя глиномялку 802 и бетоноукладчик 804. Глиномялка 802 может быть использована, чтобы смешать грунт с одним или более предшественником полиуретана. Например, внесенный имеющийся на месте или чужеродный грунт может быть загружен в глиномялку 802 и объединен с одним или более предшественником полиуретана. В некоторых вариантах реализации дополнительный предшественник полиуретана может быть добавлен к смеси после ее выгрузки из глиномялки 802. Кроме того, смесь, выгруженная из глиномялки 802, может быть объединена с дополнительным грунтом во время формирования покрытия. В этих вариантах реализации система 800 мощения дороги может включать в себя также, например, модуль измельчения грунта, такой как описан выше со ссылкой на фиг.7А. В некоторых вариантах реализации смесь, которая выходит из глиномялки 802, не включает в себя какого-либо полиуретана. Например, упрочненное волокно может быть объединено с одним или более наполнителями, чтобы сформировать смесь, которую позднее объединят с предшественником полиуретана.
Глиномялка 802 может быть машиной, в которой материалы одновременно измельчают и смешивают, иногда смешивают с полиуретаном. В некоторых вариантах реализации глиномялка 802 является непрерывно работающим миксером, который может быть размещен на одном из модулей, описанных выше со ссылкой на фиг.7А и 7B. Непрерывно работающая глиномялка может сделать тщательно смешанную, однородную смесь за короткий промежуток времени (т.е. за несколько секунд). Это время может представлять собой время пребывания материалов в непрерывно работающей глиномялке. Смешивание материалов при высоком содержании твердых частиц требует усиленного смешивающего действия лопастей глиномялки. Глиномялка 802 может включать в себя горизонтальную коробкообразную камеру с верхним входным отверстием и нижним выходом на другом конце. Глиномялка 802 может включать в себя два вала с противостоящими лопастями и узлом привода.
Бетоноукладчик 804 может быть подобен укладчикам, используемым для настилания асфальта на улицах, мостах, парковках и других подобных местах. Смесь может быть подана из глиномялки 802 и в загрузочную воронку укладчика. Конвейер бетоноукладчика 804 может затем переместить смесь из загрузочной воронки к шнеку. Шнек размещает запас материала впереди разравнивателя. Разравниватель, в свою очередь, берет запас материала и распространяет его поверх ширины дороги и обеспечивает первичное уплотнение. Уплотнитель (не показан) может также быть частью дорожной системы 800 мощения и может следовать за бетоноукладчиком 804.
В некоторых вариантах реализации могут быть использованы другие типы миксеров (т.е. однолопастные или двулопастные миксеры). Другие типы оборудования могут включать в себя самосвал, ковшовый погрузчик, оборачивающийся погрузчик, погрузчик, каток, и множество ручных инструментов, например виброплиту и ручной трамбователь.
Примеры полиуретановых материалов
Один или более предшественник полиуретана, использованный для формирования дорог, может включать в себя один или более изоцианат (т.е. преполимерные изоцианаты), один или более полиол, термостабилизатор, наполнитель и/или другие материалы. Некоторые примеры этих других материалов включают в себя катализаторы, красители, пигменты, сурфактанты, пластификаторы, растворители, порообразователи, диспергаторы, сшивающие агенты, ингибиторы горения, светостабилизаторы, поглотители кислот, антистатические агенты и антиоксиданты. Все эти материалы вместе рассматриваются в настоящем документе как предшественники. Предшественники используют для формирования полиуретановой смеси перед внесением предшественников в измельченный на месте грунт, во время внесения предшественников в грунт и/или после внесения предшественников в грунт.
Полиуретан получают реакцией мономерного или полимерного изоцианата с полиолом. Изоцианат, используемый для формирования дороги, может включать в себя одну или более изоцианатные (NCO) функциональные группы, обычно по меньшей мере две функциональные группы NCO. Подходящие изоцианаты включают в себя, но не ограничиваются этим, обычные алифатические, циклоалифатические, арильные и ароматические изоцианаты. Некоторые более конкретные примеры включают дифенилметандиизоцианаты (МДИ), полимерные дифенилметандиизоцианаты (ПМДИ) и их сочетания. Полимерные дифенилметандиизоцианаты могут быть также отнесены к полиметиленполифениленполиизоцианатам. Примеры других подходящих изоцианатов включают в себя, но не ограничиваются этим, толуолдиизоцианаты (ТДИ), гексаметилендиизоцианаты (ГДИ), изофорондиизоцианаты (ИФДИ), нафталиндиизоцианаты (НДИ) и их сочетания. Один или более из этих изоцианатов могут быть использованы, чтобы сформировать изоцианат-преполимер.
В некоторых вариантах реализации может быть использован мономерный МДИ или полимерный МДИ. МДИ полиуретаны, как обнаружено, обладают благоприятной термостабильностью, которая может быть полезной в некоторых видах использования дороги. Кроме того, МДИ полиуретаны проявляют исключительную адгезию как к бетону, так и к стали. Основные структуры мономерных МДИ и полимерных МДИ показаны ниже.
Мономерный МДИ
Полимерный МДИ
Изоцианат-преполимер может быть сформирован объединением изоцианата с полиолом. Количество полиола ограничивают так, чтобы он реагировал только с некоторыми NCO функциональными группами изоцианата. Например, полиол включает в себя одну или более гидроксильные (OR) функциональные группы или, более конкретно, по меньшей мере две OR функциональные группы. Полиол может быть любым типом полиола. Некоторые примеры подходящих полиолов включают в себя этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, дипропиленгликоль, бутандиол, глицерин, триметилолпропан, триэтаноламин, пентаэритритол, сорбит и их сочетания.
Полиол может быть использован в различных количествах относительно изоцианата, чтобы образовать изоцианат-преполимер, до тех пор, пока избыток функциональных групп NCO относительно функциональных групп OR присутствует до реакции, так что изоцианат-преполимер после образования включает в себя NCO функциональные группы для последующей реакции, чтобы образовать полиуретан. Изоцианат-преполимер может иметь содержание NCO от около 18 масс.% до 28 масс.% или, более конкретно, от около 20 масс.% до 25 масс.%, например, около 22,9 масс.%.
Изоцианат-преполимер может быть сформирован из полиамина с одной или более аминными функциональными группами, например, по меньшей мере с двумя аминными функциональными группами. Полиамин может быть любым типом полиамина. Некоторые примеры включают в себя этилендиамин, толуолдиамин, диаминодифенилметан и полиметиленполифениленполиамины, аминоспирты, и их сочетания. Примеры подходящих аминоспиртов включают в себя этаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин и их сочетания.
В некоторых вариантах реализации изоцианат-преполимер формируют из полимерного метилдифенилдиизоцианата и квазипреполимеров 4,4′-метилдифенилдиизоцианата. Конкретными примерами подходящих изоцианат-преполимеров являются коммерчески доступные у BASF Corporation of Florham Park, штат Нью-Джерси, под торговой маркой LUPRANATE, например, LUPRANATE MP 102. В некоторых вариантах реализации сочетание двух или более вышеупомянутых изоцианат-преполимеров может быть использовано для формирования дороги.
В некоторых вариантах реализации может быть использован полимерный изоцианат. Полимерный изоцианат может включать в себя две или более функциональные группы NCO. Полимерный изоцианат может иметь среднюю функциональность от около 1,5 до около 3,0 например, от около 2,0 до около 2,8, например около 2,7. Полимерный изоцианат может иметь содержание NCO от около 30 масс.% до 33 масс.% или, более конкретно, от около 30,5 масс.% до 32,5 масс.% например, около 31,5 масс.%. Полимерный изоцианат является полимерным дифенилметандиизоцианатом (ПМДИ) или LUPRANATE MP 102.
Изоцианат-преполимер может присутствовать в изоцианатном компоненте предшественника полиуретана в количестве от около 25 масс.% до 75 масс.% или, более конкретно, от около 50 масс.% до 75 масс.%, например, от около 55 масс.% до 65 масс.%. Весовое отношение изоцианата-преполимера к полимерному изоцианату может составлять от 0,5 до 2,5 или, более конкретно, от 1,25 до 1,75, например, около 1,5. Не ограничиваясь какой-либо частной теорией, полагают, что сочетание изоцианата-преполимера и полимерного изоцианата помогает с улучшением предела прочности на разрыв, удлинения, стойкости и температуры стеклования, а также прочности на разрыв получаемого в результате отвержденного полиуретана относительно обычных полиуретанов.
Жидкий полиуретан может, кроме того, быть получен из полиола, отобранного на основании предпочтительных характеристиках вязкости и упругости. Например, введение линейного дифункционального полиэтиленгликоля (простого полиэфирного полиола) может привести к получению полиуретана, который более мягкий и упругий, тогда как полифункциональный полиол приведет к более твердому и менее эластичному полиуретану. В некоторых вариантах реализации может быть использован гидрофобный полиол. Некоторые примеры таких полиолов включают в себя основанные на нефтепродуктах полиолы (например, полиол, полученный из нефтепродуктов и/или побочных нефтепродуктов), растительные масла натурального происхождения, которые содержат непрореагировавшие функциональные группы ОН (т.е. касторовое масло), химические модифицированные полиолы натуральных масел (т.е. соевого масла, рапсового масла, кокосового масла, арахисового масла, масла канолы, и т.п.). Примером коммерчески доступного касторового масла является Т31 Castor Oil, от Eagle Specialty Products (ESP) Inc. of St. Louis, штат Миссури. Конкретные примеры других подходящих гидрофобных полиолов включают в себя SOVERMOL 750, SOVERMOL 805, SOVERMOL 1005, SOVERMOL 1080 и SOVERMOL 1102 доступные у Cognis Corporation of Cincinnati, штат Орегон. Весовое отношение одного или более гидрофобных полиолов ко всем полиолам может составлять от около 80 масс.% до 99 масс.% или, более конкретно, от около 85% до 95 масс.%.
Примеры подходящих растворителей включают в себя диметилкарбонат (ДМК), пропиленкарбонат (ПК), п-хлорбензотрифторид (ПХБТФ), бензотрифторид (БТФ) и третичный бутилацетат (ТВА). Растворитель может быть добавлен к одному или более изоцианатам при концентрации от около 5 масс.% до 30 масс.% или, более конкретно, от около 10 масс.% до 20 масс.%.
Примеры изоцианатов включают в себя алифатические полиизоцианатные смолы на основе гексаметилендиизоцианата (ГДИ), например, DESMODUR N3400 доступный у Bayer Material Science LLC в Питтсбурге, штат Пенсильвания, (имеющий содержание NCO 21,8±0,7%), полиметиленполифенилизоцианат (NCO 32%, функциональность 2.4), полиметиленполифенилизоцианат (NCO 32%, функциональность 2.7). Если два изоцианата используют в одном и том же материале-предшественнике, весовое отношение каждого изоцианата может составлять от около 10% до 70% или, более конкретно, от около 20% до 60% или даже от около 30% до 50%.
Полиуретановый материал может, кроме того, включать в себя термостабилизатор, чтобы предотвратить разложение полиуретана при высоких температурах. Термостабилизатор может включать в себя неорганический термостабилизатор, галогенированный органический термостабилизатор, термостабилизатор на основе азота или их сочетания. В некоторых предпочтительных вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя неорганический термостабилизатор, например, гидроксид алюминия, гидроксид магния, триоксид сурьмы, пентоксид сурьмы, антимонит натрия, борат цинка, станнат цинка, гидростаннат цинка, красный фосфор, полифосфат аммония и их сочетания. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя пентоксид сурьмы. Полиуретановый материал может включать в себя термостабилизатор в интервале 1-10 масс.%, например, 2-5 масс.% и, более конкретно, 2-3%.
Полиуретановый материал может также включать в себя наполнитель. Этот наполнитель может повышать предел прочности на разрыв и устойчивость к абразивному износу отвержденного полиуретанового материала, в то же время, снижая общую стоимость. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя наполнители, например, кремнеземную пыль, сажу, слюду, карбонат кальция, оксид алюминия, оксид циркония или их сочетания. В этом или в некоторых других вариантах реализации наполнитель может включать в себя повторно используемый полиуретан из избытка производства. Примером подходящей кремнеземной пыли является AEROSIL R-972, коммерчески доступная у Evonic Industries Inc. of Essen, Германия. Кремнеземная пыль в основном действует как агент, контролирующий реологию, и если кремнеземная пыль гидрофобна, она придает дополнительную гидрофобность полиуретановой смеси. Если применяются, кремнеземная пыль или другой наполнитель могут присутствовать в полиуретановой смеси в количестве от около 0,10 масс.% до 10,0 масс.% или, более обычно, от около 1,0 масс.% до 7,0 масс.%. В этом или в других вариантах реализации наполнитель может включать в себя наполнитель, изготовленный из повторно используемого материала покрытия. Использованный материал покрытия занимает значительное место на свалках. Инкорпорирование повторно используемого материала покрытия в полиуретановый материал может предоставить возможности для приобретения квот на выброс углерода.
Добавки могут быть использованы для регулирования вязкоупругих свойств полиуретановой смеси в соответствии с предпочтениями для конкретных видов использования. Например, полиуретановые смеси с низкими значениями вязкости могут быть предпочтительны для использования с особенно неровными поверхностями или с поверхностями с высокими требованиями к глубине проникновения. В противоположность этому, полиуретановые смеси с высокими значениями вязкости могут быть предпочтительны для тех видов использования, где полиуретановый герметизатор должен оставаться на самой верхней поверхности с малым или вовсе отсутствующим проникновением в нижележащую поверхность. В некоторых вариантах реализации полиуретановая смесь может иметь вязкость от 1 до 1,000 SSU, или, более конкретно от 1 до 400 SSU, или еще более конкретно, между 1 и 250 SSU, например, 150 SSU при 78°F.
Продолжительность отверждения полиуретановой смеси может быть изменена введением дополнительных добавок в полиуретановую смесь или изменением сочетания композиции полиуретана, наполнителя и термостабилизатора. Продолжительность отверждения уретана может составлять от 4 до 48 часов, например, от 8 до 48 часов, или от 16 до 48 часов, или, более конкретно, от 20 до 30 часов. В некоторых вариантах реализации продолжительность отверждения полиуретановой смеси может быть повышена уменьшением массового процента катализатора использованного в рецептуре жидкого полиуретана. Большая продолжительность отверждения дает возможность иметь достаточно времени в течение полного рабочего дня для завершения, и оставляя достаточно времени, чтобы очистить и удалить остатки полиуретановой смеси с применяемого оборудования, например, насосов, контейнеров, или других инструментов и/или из смешивающего оборудования до отверждения полиуретановой смеси.
Полиуретановый материал может включать в себя катализатор, чтобы изменять свойства полиуретановой смеси, такие, как вязкость, термостабильность и/или продолжительность отверждения. Например, полиуретановый материал может включать в себя катализатор, чтобы повысить термостабильность отвержденного материала. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя один или более катализатор на основе третичного амина и/или один или более металлорганический катализатор. Примеры таких катализаторов включают в себя N-метилморфолин, карбоксилаты висмута, триэтилендиамин, октоат свинца, ацетилацетонат железа, октоат олова, дилаурат диметилолова, дилаурат дибутилолова, сульфид дибутилолова, которые, как было обнаружено, благоприятно влияют на МДИ уретаны. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя один или более металлорганический катализатор в интервале от 0,05 до 0,8 масс.%. В некоторых особых вариантах реализации полиуретановый материал может быть моноблочным, водоотверждаемым полимерным МДИ уретаном, содержащим 2,2′-диморфолинодиэтилэфирный катализатор в количестве от 0,05 до 0,6 масс.%. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя один или более катализатор на основе третичного амина в количестве от 0,1 до 0,4 масс.%. Другие примеры подходящих катализаторов включают в себя N,N-диметилциклогексиламин, 2,2′-диморфолинодиэтилэфир и дилаурат дибутилолова. Катализатор может быть добавлен к одному или более изоцианатам при концентрации от около 0,05 масс.% до 0,2 масс.% или, более конкретно, от около 0,1 масс.% до 0,15 масс.%.
В некоторых вариантах реализации катализаторы включают в себя соли олова (II) органических карбоновых кислот, т.е. ацетат олова (II), октоат олова (II), этилгексаноат олова (II) и лаурат олова (II). Металлорганический катализатор может быть дилауратом дибутилолова, который является солью диалкилолова (IV) органической карбоновой кислоты. Конкретными примерами подходящих металлорганических катализаторов, т.е. дилауратами дибутилолова, являются коммерчески доступные у Air Products and Chemicals, Inc. of Allentown, Пенсильвания, под торговым наименованием DABCO. Металлорганический катализатор может также включать в себя другие соли диалкилолова (IV) органических карбоновых кислот, например, диацетат дибутиолова, малеат дибутиолова и диацетат диоктилолова.
Примеры других подходящих катализаторов включают в себя катализаторы на основе аминов, катализаторы на основе висмута, катализаторы на основе никеля, катализаторы на основе циркония, катализаторы на основе цинка, катализаторы на основе алюминия, катализаторы на основе лития, хлорид железа (II); хлорид цинка; октоат свинца; трис(диалкиламиноалкил)-гексангидротриазины, включая трис(N,N-диметиламинопропил)ы-гексангидротриазин; гидроксиды тетраалкиламмония включая гидроксид тетраметиламмония; гидроксиды щелочных металлов, включая гидроксид натрия и гидроксид калия; алкоксиды щелочных металлов, включая метоксид натрия и изопропоксид калия; и соли щелочных металлов, включая соли длинноцепочечных жирных кислот, имеющих от 10 до 20 атомов углерода и/или боковые группы OR. Дополнительными примерами других подходящих катализаторов, особенно катализаторов тримеризации являются N,N,N-диметиламинопропилгексагидротриазин, калий, ацетат калия, N,N,N-триметилизопропиламин/формиат и их сочетания. Конкретным примером подходящего катализатора тримеризации является коммерчески доступные у Air Products and Chemicals, Inc. под торговым наименованием POLYCAT. Еще дополнительными примерами других подходящих катализаторов, особенно катализаторов на основе третичных аминов, являются 1-метилимидазол, DABCO 33-LV, диметиламиноэтанол, диметиламиноэтоксиэтанол, триэтиламин, N,N,N′,N′′-тетраметилэтилендиамин, N,N-диметиламинопропиламин, N,N,N′,N′,N′′-пентаметилдипропилентриамин, трис(диметиламинопропил)амин, N,N-диметилпиперазин, тетраметилимино-бис(пропиламин), диметилбензиламин, триметиламин, триэтаноламин, N,N-диэтил этаноламин, N-метилпирролидон, N-метилморфолин, N-этилморфолин, бис(2-диметиламино-этиловый) простой эфир, N,N-диметилциклогексиламин (DMCRA), N,N,N′,N′,N′′-пентаметилдиэтилентриамин, 1,2-диметилимидазол, 3-(диметиламино) пропилимидазол и их сочетания. Конкретными примерами подходящих катализаторов на основе третичных аминов являются коммерчески доступные у Air Products and Chemicals, Inc. под торговым наименованием POLYCAT, т.е. POLYCAT 41.
Одна или более добавка натуральных полиолов (НВС) может быть включена в полиуретановую смесь, чтобы снизить вязкость смеси и улучшить способность смеси проникать в углубления верхней поверхности битумизированной дороги. Примеры подходящих натуральных полиолов включают в себя полиолы, полученные из соевого масла, арахисового масла и масла канолы. Соевое мало является предпочтительным сырьем для получения полиола вследствие его низкого влияния на окружающую среду, доступности и стоимости. В некоторых вариантах реализации было установлено, что эксплуатационные свойства полиола сои в МДИ полиуретане улучшаются гидроксилированием части полиола сои перед смешиванием с МДИ полиуретаном. Примеры способов гидроксилирования включают лизис озоном, окисление воздухом, автоокисление, реакцию с пероксикислотами, за которой следует реакция с нуклеофилами, чтобы образовать гидроксильные группы на полиолах сои. Гидроксилирование полиолов сои дает им возможность реагировать с МДИ полиуретаном, чтобы обеспечить повышение стойкости и гибкости герметизированной битумной дороги или упрочненного битумизированного дорожного покрытия, в то время как оставшийся, непрореагировавший полиол сои действует как пластификатор. В некоторых вариантах реализации полиуретановая смесь может включать в себя от 3 до 5 масс.% полиолов сои. В других вариантах реализации полиуретановая смесь может включать в себя от 10 до 30 масс.% гидроксилированных полиолов сои, например, от 15 до 30 масс.%, или, более конкретно например, от 20 до 30 масс.%, или даже более конкретно например, до 25 до 30 масс.% гидроксилированных полиолов сои.
В некоторых вариантах реализации полиуретановая смесь может включать в себя один или более удлинитель цепей, чтобы изменить гибкость и предел прочности на разрыв отвержденного полиуретанового материала. Удлинители цепей могут быть использованы, чтобы ускорить реакцию при необходимости, например, в холодных условиях, где отверждение может быть замедлено вследствие пониженных температур. Примеры подходящих удлинителей цепей включают в себя гидроксильные соединения с низкой молекулярной массой, например, этиленгликоль и бутандиол, и полиоламины, например, простой полиэфир с концевым амином, 2-метилпиперазин, бис(аминометил) циклогексан и изомеры, 1,5-диамино-3-метил-пентан, аминоэтилпиперазин, этилендиамин, диэтилентриамин, аминоэтилэтаноламин, триэтилентетраамин, изофорондиамин, триэтиленпентаамин, этаноламин, лизин в любых его стереоизомерных формах и его соли, гександиамин, гидразин и пиперазин, которые быстро реагируют с изоцианатными функциональными группами в водной фазе, или их сочетания. Другие примеры подходящих удлинителей цепей включают в себя дипропиленгликоль (ДПГ), диэтиленгликоль (ДЭГ), NIAX DP-1022 доступные у MOMENTIVE (ТМ) в Колумбусе, штат Огайо, 1,3-пропандиол, 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,6-гександиол и 2-бутен-1,4-диол.
Концентрация удлинителей цепей в целом в предшественнике полиола может составлять от 1,0 масс.% до 20 масс.% или, более конкретно, от около 5 масс.% до 10 масс.%. Следует принять во внимание, что предшественник полиола может включать в себя любое сочетание двух или более вышеупомянутых удлинителей цепей. Не будучи связанными или ограниченными рамками какой-либо теории, полагают, что удлинитель цепей придает повышенную прочность получающемуся в результате полиуретану, так же как повышенную прочность, прочность на разрыв и твердость эластомерной композиции.
Полиолом может быть этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, дипропиленгликоль, бутандиол, глицерин, триметилолпропан, триэтаноламин, пентаэритритол, сорбит и их сочетания. Конкретные группы подходящих полиолов включают в себя простые полиэфирные полиолы, полиолы на основе сложных эфиров, простые полиэфирные/сложные полиэфирные полиолы и их сочетания.
Подходящие простые полиэфирные полиолы включают в себя продукты, полученные полимеризацией циклического, например, этиленоксида. (ЭО), пропиленоксида (ПО), бутиленоксида (БО) или тетрагидрофурана в присутствии многофункциональных инициаторов. Подходящие инициирующие соединения содержат множество активных атомов водорода и включают в себя воду, бутандиол, этиленгликоль, пропиленгликоль (ПГ), диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, дипропиленгликоль, этаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, толуолдиамин, диэтилтолуолдиамин, фенилдиамин, дифенилметандиамин, этилендиамин, циклогександиамин, циклогександиметанол, резорцин, бисфенол А, глицерин, триметилолпропан, 1,2,6-гексантриол, пентаэритритол, и их сочетания. Другие подходящие простые полиэфирные полиолы включают в себя простые полиэфир- диолы и триолы, например, полиоксипропилен- диолы и триолы и поли(оксиэтилен-оксипропилен)диолы и триолы полученные одновременным или последовательным добавлением этилен- и пропиленоксидов к ди- или трифункциональным инициаторам. Сополимеры, имеющие содержание оксиэтилена от около 5 масс.% до 90 масс.%, в расчете на массу полиольного компонента, в которых полиолы могут быть блоксополимерами, случайными/блочными сополимерами или случайными сополимерами. Еще одни подходящие простые полиэфирные полиолы включают в себя политетраметиленгликоли, полученные полимеризацией тетрагидрофурана.
Подходящие сложные полиэфирные полиолы включают в себя, но не ограничиваются ими: продукты реакции многоатомных спиртов с концевыми гидроксильными группами, например, этиленгликоль, пропиленгликоль, диэтиленгликоль, 1,4-бутандиол, неопентилгликоль, 1,6-гександиол, циклогександиметанол, глицерин, триметилолпропан, пентаэритритол или простые полиэфирные полиолы или смеси таких многоатомных спиртов, и поликарбоновые кислоты, особенно дикарбоновые кислоты или их эфирообразующие производные, например янтарная, глутаровая и адипиновая кислоты или их сложные диметиловые эфиры себациновая кислота, фталевый ангидрид, тетрахлорфталевый ангидрид или диметилтерефталат, или их смеси. Сложные полиэфирные полиолы, полученные полимеризацией лактонов, т.е. капролактона, в соединении с полиолом, или гидрокискарбоновыми кислотами, т.е. гидроксикапроновой кислотой, также могут быть использованы.
Подходящие полиэфирамидные полиолы могут быть получены включением аминоспиртов, например, этаноламина в полиэстерификационные смеси. Подходящие политиоэфирные полиолы включают в себя продукты, полученые конденсацией тиогликоля или одного, или с другими гликолями, алкиленоксиды, дикарбоновые кислоты, формальдегид, аминоспирты или аминокарбоновые кислоты. Подходящие поликарбонатные полиолы включают в себя продукты, полученные реакцией диолов например, 1,3-пропандиола, 1,4-бутандиола, 1,6-гександиола, диэтиленгликоля или тетраэтиленгликоля с диарилкарбонатами, например, с дифенилкарбонатом, или с фосгеном. Подходящие полиацеталевые полиолы включают в себя таковые, полученные реакцией гликолей, например, диэтиленгликоля, триэтиленгликоля или гександиола, с формальдегидом. Другие подходящие полиацеталевые полиолы могут также быть получены полимеризацией циклических ацеталей. Подходящие полиолефиновые полиолы включают в себя гомо- и сополимеры бутадиена с гидроксильными концевыми группами, и подходящие полисилоксановые полиолы включают в себя полидиметилсилоксан- диолы и триолы.
Конкретными примерами подходящих полиолов являются полиолы, коммерчески доступные у BASF Corporation под торговой маркой PLURACOL, например, PLURACOL GP Series или, более конкретно, PLURACOL GP430 и PLURACOL 4156.
Цвет полиуретанового материала может быть изменен путем использования красителей или пигментов или путем подбора конкретных видов полиуретанового сырья. Например, в некоторых вариантах реализации черные полиолы могут быть использованы, чтобы сформировать полиуретан, дающий в результате отвержденный полиуретан темного цвета. Как обсуждалось выше, в целом, более светлый цвет поверхности приводит к более низкой абсорбции тепла по сравнению с подобными материалами. Полиуретановый материал может быть сконфигурирован так, чтобы быть более светлого цвета для использования, в котором высокий нагрев может создавать проблемы. Например, диоксид титана может быть использован, чтобы придать белый цвет, и сажа может быть использована, чтобы придать черный цвет эластомерной композиции, соответственно, тогда как различные смеси диоксида титана и сажи могут быть использованы, чтобы придать эластомерной композиции различные оттенки серого. Примерами подходящих сортов диоксида титана и сажи являются коммерчески доступные у Columbian Chemicals Company of Marietta, Джорджия, и DuPont Titanium Technologies of Wilmington, Делавэр, соответственно. Другие пигменты включат в себя, но не ограничены этим, красный, зеленый, голубой, желтый и коричневый, и их смеси, также могут быть использованы, чтобы придать цвет эластомерной композиции в дополнение к или в качестве альтернативы саже и/или диоксиду титана. Колорант, если применяется, обычно присутствует в полиуретановой смеси в количестве от 0,10 масс.% до 5,0 масс.% или, более конкретно, от 1,0 масс.% до 3,0 масс.%.
Сурфактанты могут быть применены в некоторых вариантах реализации, чтобы уменьшить пенообразование и повысить плотность отвержденного полиуретанового материала, чтобы улучшить долговечность битумизированной дороги. Подходящие пеностабилизирующие сурфактанты включают в себя сульфаты, сульфосукцинаматы и сукцинаматы и другие стабилизаторы пены, известные специалистам как полезные для этого. Было определено, что, в частности, сурфактанты, например, высокомолекулярные кремниевые сурфактанты, имеющие в среднем молекулярную массу, превышающую 9000 улучшают смачиваемость уретана и увеличивают площадь поверхности контакта полиуретана с верхней поверхностью битумизированной дороги. Примеры сурфактантов могут быть найдены в патенте US 5489617, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки на него. Относящиеся к делу разделы могут быть найдены в колонках 3-4 вышеупомянутой ссылки. Другие подходящие сурфактанты, которые могут быть применены, чтобы успешно повысить смачиваемость МДИ полиуретана относительно битумизированной дороги, включают в себя катионные сурфактанты, анионные сурфактанты, цвитерионные сурфактанты и неионные сурфактанты. Примеры анионных сурфактантов включают в себя фосфаты, карбоксилаты и сульфонаты. Примеры катионных сурфактантов включают в себя четвертичные амины, и примеры неионных сурфактантов включают в себя силиконовые масла и блочные сополимеры, содержащие этиленоксид. Подходящие сурфактанты могут быть либо внешними сурфактантами, которые не реагирует химически с полимером, например, соли додецилбензолсульфоновой кислоты и лаурилсульфоновой кислоты, а также внутренними сурфактантами, например, 2,2-диметилолпропионовой кислотой и ее солями, кватернизированными солями аммония, и гидрофильными видами, например, полиолами полиэтиленоксида.
В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя один или более пластификатор, чтобы улучшить смачиваемость полиуретановой смеси относительно верхнего слоя битумизированной дороги. В некоторых вариантах реализации полиуретановый материал может включать в себя от 1 до 10 масс.% пластификатора. Подходящие пластификаторы включают в себя диизодецилфталат, ди-н-октилфталат, диизобутилфталат, диизононилфталат, бис(2-этилгексил)фталат, диэтилфталат, и бис(н-бутил)фталат. Установлено, что в некоторых вариантах реализации биоразлагаемые пластификаторы могут быть применены, чтобы уменьшить воздействие материала на окружающую среду по сравнению с вариантами реализации, использующими небиоразлагаемые пластификаторы. Подходящие биоразлагаемые пластификаторы включают в себя триэтилцитрат, ацетилтриэтилцитрат, трибутилцитрат, ацетилтрибутилцитрат, триоктилцитрат, ацетилтриоктилцитрат, ацетилтригексилцитрат, триметилцитрат и фениловый эфир алкилсульфоновой кислоты.
Другие добавки могут быть применены, чтобы изменить физические свойства полиуретановой смеси и отвержденного полиуретанового материала. Примеры других добавок могут включать в себя безопасные для окружающей среды растворители для снижения вязкости полиуретановой смеси, порообразователи, диспергаторы, сшивающие агенты, светостабилизаторы например, поглотители ультрафиолетового света и блокированные аминные светостабилизаторы, поглотители кислот, антистатики и антиоксиданты.
Способы изготовления систем мощения
Как обсуждалось выше, полиуретановые материалы могут быть использованы для покрытия верхней поверхности битумизированной дороги, чтобы создать герметизированную битумизированную дорогу или могут быть смешаны с битумной крошкой, чтобы создать смесь, которая затем будет оставлена для отверждения, чтобы образовать упрочненное битумизированное покрытие, или могут быть использованы в сочетании с машиной для регенерации и стабилизации, чтобы создать одно- или многослойную дорогу. Некоторые из этих методик могут быть использованы поодиночке или в сочетании, чтобы сформировать дорогу. Например, полиуретановая смесь может быть распылена по поверхности методом разливания и разглаживания. В некоторых предпочтительных вариантах реализации полиуретановая смесь может быть нанесена на верхнюю поверхность несущего слоя распылением полиуретановой смеси, используя безвоздушный распылитель. Полиуретановая смесь может покрывать площадь верхней поверхности битумизированной дороги в интервале от 50 до 200 квадратных футов на галлон, например, от 100 до 150 квадратных футов на галлон. В некоторых вариантах реализации, в которых асфальтовая система мощения имеет отверстие, например, полость, трещину или пролом, полиуретановая смесь может быть нанесена на верхнюю поверхность асфальтовой системы мощения без необходимости заполнения отверстия другими материалами, например, стандартными асфальтобетонными материалами для ремонта, подобных гудрону или горячей льющейся битумной жидкости. Полиуретановая смесь может быть нанесена так, что полиуретановая смесь заполняет отверстия, или она может просто покрывать поверхность отверстий.
Экспериментальные данные
3
Ряд экспериментов был проведен на образцах, содержащих 5,5 масс.% полиуретана и 94,5 масс.% дробленого гранита. Размер гранита составлял минус 1/2. Смесь полиуретана и дробленого гранита уплотняли до 95% (например, 5% пор) и отверждали по меньшей мере 7 дней. Сопротивление образца сжатию, испытанное при 20°C, составляло 12 МРа, в то время как сопротивление сжатию при 50°C составляло 9 МРа. Средняя плотность этого образца составляла 2,1 г/см. Эксперимент был проведен согласно ASTM D1074-09.
Другой эксперимент проводили, чтобы определить сопротивление скольжению согласно ASTM Е 303. Образец подготовили, используя 5 масс.% полиуретана и 95 масс.% дробленого гранита. Образец отверждали в течение 14 дней. Результаты сопротивления скольжению для сухих образцов составили 64, тогда как результат для влажных образцов был равен 56, что значительно выше, чем значение 36, рекомендованное Институтом керамической плитки (США). Еще один эксперимент проводили согласно ANSI В101.3, чтобы определить влажное динамическое трение. Образцы имели динамический коэффициент трения (ДКТ) 0,67. Эти характеристики скольжения чрезвычайно важны для троп и пешеходных дорог. Тропы могут стать очень скользкими и иметь подвижную поверхность, особенно после дождя, и могут быть неприемлемыми для людей с ограниченными возможностями. Законодательство во многих странах требует, чтобы тропы имели сопротивление скольжению по меньшей мере 36 (согласно ANSI В101.3) и имели твердые стойкие поверхности, даже когда влажно. Как следует из вышеприведенных экспериментальных данных, пешеходные дороги на основе полиуретана (в целом относящиеся к дорогам) могут быть сформированы так, чтобы соответствовать этим стандартам и значительно превышать их, одновременно предоставляя долговечные дороги для различных видов использования. Такое сопротивление скольжению также привлекательно для автомобильных дорог, т.к. эти дороги могут стать очень скользкими во время дождя.
Хотя предшествующие концепции были описаны в некоторых деталях с целью ясности понимания, очевидно, что некоторые изменения и модификации могут быть осуществлены на практике в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Следует заметить, что имеется много альтернативных способов реализации способов, систем и аппаратов. Следовательно, настоящие варианты реализации следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.