Способ получения модифицированного битумного вяжущего
METHOD OF PRODUCING MODIFIED BITUMEN BINDER

Изобретение относится к области дорожно-строительных и строительных материалов, а именно к битумным вяжущим для асфальтобетонных смесей при устройстве покрытий автомобильных дорог, мостов и путепроводов, а также для изолирующих и кровельных материалов.
Известен «Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего» (авторское свидетельство СССР на изобретение №1669890, МПК С04В 26/26, 1991 г.), включающий приготовление модификатора, содержащего каучук и низковязкий органический компонент, путем термоокисления в присутствии катализатора и последующего смешения его с нагретым битумом в массовом соотношении 10-20:80-90, причем в модификатор дополнительно вводят триэтаноламин, а в качестве низковязкого органического компонента используют сланцевое масло при массовом соотношении сланцевого масла, триэтаноламина и каучука 8-10:0,05-0,1:1.
Недостатком указанного способа является высокий расход модификатора, основным компонентом которого является сланцевое масло, что неминуемо снижает вязкость битумно-каучукового вяжущего и, как следствие, уменьшает температуру размягчения битумно-каучукового вяжущего, а следовательно, не обеспечивает требуемое качество асфальтобетонной смеси.
Известен способ получения битумно-резинового связующего для дорожного покрытия («Битумно-резиновая композиция связующего для дорожного покрытия и способееполучения», патент на изобретение РФ №2509787, МПК C08L 95/00, C08J 11/04, C08J 03/00, 2014 г.), характеризующийся нагревом битума с последующим введением углеводородного масла и резиновой крошки из измельченных отработанных автомобильных шин при постоянном перемешивании, причем предварительно нагревают битум до температуры 185°C-220°С, и последовательно при постоянном перемешивании в качестве углеводородного масла вводят нефтяное масло с вязкостью 0,005-1,6 Па⋅с при 60°С в количестве 2-12 масс. %, резиновую крошку с размером частиц до 1 мм в количестве 8-20 масс. %, и перемешивают в течение 2-5 часов при постоянной температуре 185°С-220°С.
Недостаток данного способа заключается в значительной длительности (до 5 часов) процесса его осуществления при высокой температуре, что ведет к увеличению затрат энергии, при этом может происходить снижение качества вяжущего из-за отсутствия возможности контроля процессов девулканизации и деструкции резиновой крошки.
Известен также способ получения концентрированного полимербитумного вяжущего («Концентрированное полимербитумное вяжущее для «сухого» ввода и способ его получения», патент на изобретение РФ №2638963, МПК C08L 95/00, С04В 26/26, 2017 г.), принятый за прототип, включающий предварительный нагрев битума до вязкого состояния и последующее введение в битум при постоянном его перемешивании модификатора, содержащего резиновую крошку из измельченных отработанных автомобильных шин и структурообразователь.
Недостаток указанного способа связан со значительной длительностью (до 4 часов) процесса его приготовления, что увеличивает затраты энергии, и с риском расслоения вяжущего вследствие применения не активированной резиновой крошки.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении экономичности процесса приготовления модифицированного битумного вяжущего, в его ускорении, в повышении качества асфальтобетонных покрытий и эластичности изолирующих и кровельных материалов, а также в повышении универсальности модифицированного битумного вяжущего к типам минеральных наполнителей.
Технический результат достигается тем, что в способе получения модифицированного битумного вяжущего, заключающемся в предварительном нагреве битума до вязкого состояния и последующем введении в битум при постоянном его перемешивании модификатора, содержащего резиновую крошку из измельченных отработанных автомобильных шин и структурообразователь, модификатор, составляющий 3,0-10,0 масс. % от битума, дополнительно включает совмещение битума, нагретого до температуры 140-160°С, и структурирующей добавки, в качестве которой применяют текстильный кордный пух, с резиновой крошкой, активированной раствором каучуков в углеводородном масле в тихоходном смесителе, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
текстильный кордный пух
7,0-20,0;
битум
5,0-30,0;
активированная резиновая крошка
остальное,
2
причем смешивание компонентов осуществляют в высокоскоростном смесителе при линейной скорости в точке максимального диаметра его рабочих органов не менее 15 м/с в течение 15-100 секунд, а резиновую крошку подвергают механическому тонкому измельчению до частиц с максимальным размером не более 1,5 мм и величиной удельной геометрической площади поверхности частиц не менее 7000 см/г, и смешиванию с раствором каучуков в углеводородном масле при следующем соотношении компонентов, масс. %:
раствор каучуков в углеводородном масле
5,0-30,0;
резиновая крошка
остальное,
с последующим вылеживанием в течение 10-28 часов, а раствор каучуков в углеводородном масле предварительно получают в диссольвере со скоростью вращения рабочих органов 50-400 об/мин в течение 0,5-2 часов при температуре 130-150°C при следующем соотношении компонентов, масс. %:
насыщенный низкомолекулярный карбоцепной каучук
5,0-20, 0;
ненасыщенный высокомолекулярный карбоцепной каучук
3,5-10,0;
углеводородное масло
остальное,
при этом смешивают битум с модификатором в тихоходном смесителе, например, шнекового или лопастного типов при температуре 150-170°С в течение 120-180 секунд.
2
3
В качестве углеводородного масла используют масло с вязкостью кинематической при 40°С не более 61-75 мм/с, с плотностью при 20°С не более 900 кг/м и с температурой воспламенения не ниже 220°С, например, индустриальное масло И-40А.
Текстильный кордный пух, получаемый при механическом измельчении автомобильных шин, включает сгруппированные случайным образом в аморфные комкообразные структуры отрезки мононитей текстильного корда автомобильных шин длиной не более 10,0 мм и диаметром не более 0,1 мм, при этом отрезки мононитей текстильного корда имеют случайную пространственную зигзагообразную форму.
Способ получения модифицирующей композиции для асфальтобетонных смесей поясняет блок-схема с условными обозначениями: вальцы 1; тихоходный смеситель 2; контейнер 3, высокоскоростной смеситель 4; гранулятор 5; диссольвер 6, тихоходный смеситель 7.
В вальцах 1 производят тонкое измельчение резиновой крошки из переработанных автомобильных шин практически до состояния высокодисперсного порошка. Измельченную резиновую крошку подают в тихоходный смеситель 2 непрерывного или периодического действия, где ее активируют предварительно полученным в диссольвере 6 раствором каучуков в углеводородном масле, а именно раствором насыщенного низкомолекулярного карбоцепного каучука (например, полиизобутилена) и ненасыщенного высокомолекулярного карбоцепного каучука (например, синтетического каучука изопренового СКИ-3) в углеводородном масле, в качестве которого может использоваться, например, индустриальное масло И-40А. Активированную резиновую крошку помещают, например, в контейнер 3, где она вылеживается в течение 10-28 часов при температуре наружного воздуха 15-25°С.
После вылеживания активированную резиновую крошку смешивают в высокоскоростном смесителе 4 с битумом и текстильным кордным пухом. В итоге активированная резиновая крошка капсулируется битумом, т.е. приобретает свойства сродства к любым типам битумов. Полученную смесь гранулируют в грануляторе 5 или смешивают в тихоходном смесителе 7 с битумом при температуре 150-170°С для получения модифицированного вяжущего.
Насыщенный низкомолекулярный карбоцепнойкаучук (например, полиизобутилен) и ненасыщенный высокомолекулярный карбоцепной каучук (например, синтетический каучук изопреновый СКИ-3) применяют для улучшения адгезионной способности битумного вяжущего к различным типам минеральных наполнителей асфальтобетонных смесей, а также для повышения прочности и морозостойкости асфальтобетона.
Насыщенный низкомолекулярный карбоцепнойкаучук и ненасыщенный высокомолекулярный карбоцепной каучук предварительно растворяют в индустриальном масле, смешивая в диссольвере при температуре 130-150°С в течение 1-2 часов.
Полученный раствор каучуков в индустриальном масле применяют для активирования поверхности измельченной резиновой крошки в высокоскоростном смесителе в течение 10-100 секунд.
Активированную резиновую крошку вылеживают в течение 10-28 часов при температуре наружного воздуха 15-25°С.
После вылеживания активированную резиновую крошку смешивают в высокоскоростном смесителе в течении 30-200 секунд с битумом, нагретым до температуры 140-160°С, и текстильным кордным пухом, образующимся при измельчении отработанных автомобильных шин независимо от способа их механического измельчения. Перед смешением текстильный кордный пух дезагломерируют до состояния отдельных отрезков мононитей текстильного корда в высокоскоростном смесителе.
В итоге активированная резиновая крошка капсулируется битумом, например, БНД 60/90 или БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90., т.е. приобретает свойства сродства к любым типам битумов. Полученную смесь гранулируют для исключения слеживания модификатора (М) при транспортировке или сразу производится смешивание М с битумом, например, БНД 60/90 или БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90 при температуре 150-170°С в течение 120-180 секунд в тихоходном смесителе шнекового или лопастного типов.
Текстильный кордный пух существенно повышает вязкость модифицированного битумного вяжущего, а его дешевизна (≈3-5 руб./кг) положительно сказывается на эффективности производства модифицированного битумного вяжущего. Случайная пространственная зигзагообразная форма отрезков мононитей в текстильном кордном пухе, являющаяся следствием особенностей механического измельчения автомобильных шин, значительно усиливает его армирующее действие на битумное вяжущее.
При промышленном производстве модифицированного битумного вяжущего установленная мощность оборудования производительностью 400 кг/час не превышает 150 кВт.
В таблице 1 представлены результаты испытаний физико-механических свойств асфальтобетонной смеси ЩМА-10 при добавлении в битумное связующее 5% от массы битума М со следующим соотношение компонентов, масс. %:
резиновая крошка
60,8;
индустриальное масло И-40А
12,8;
синтетический каучук изопреновый СКИ-3
0,8;
полиизобутилен
1,6;
текстильный кордный пух
14,9;
битум
9,1.
В таблице 2 представлены результаты исследования по ГОСТ 33143-2014 влияния М с указанным выше соотношением компонентов на температуру хрупкости по Фраасу битумов БНД 60/90 и БНД 90/130.
Результаты испытаний, приведенные в таблицах 1 и 2, подтверждают то, что при использовании модифицированного битумного вяжущего, поученного по заявляемому способу, для приготовления асфальтобетонной смеси обеспечивается увеличение ее предела прочности при сжатии и снижение водонасыщения, а также повышение ее морозостойкости, т.е. улучшается качество асфальтобетонной смеси и кровельного и изолирующего материалов за счет повышения эластичности битумного вяжущего.
Модифицированное битумное, поученное по заявляемому способу, вяжущее является универсальным по отношению к известным типам минеральных наполнителей асфальтобетонных смесей.
В таблице 3 представлены результаты исследования по ГОСТ 12801-98 влияния состава битумного вяжущего (основа - БНД 60/90) на качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня (гранит, 10-20 мм, Карелия).
В таблице 4 представлены результаты исследования по ГОСТ 12801-98 влияния состава битумного вяжущего (основа - БНД 60/90) на качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня (известняк, 10-20 мм, Киров).
В таблице 5 представлены результаты исследования по ГОСТ 12801-98 влияния состава битумного вяжущего (основа - БНД 60/90) на качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня (известняк, 10-20 мм, Хромцовский карьер, Ивановская область).
В таблице 6 представлены результаты исследования по ГОСТ 12801-98 влияния состава битумного вяжущего (основа - БНД 100/130) на качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня (гранит, 10-20 мм, Карелия).
Установлено, что применение заявленного способа обеспечивает получение модифицированого битумного вяжущего увеличивающего качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня как в сравнении с чистым битумом, так и в сравнении с использованием адгезионной добавки «Азол 1002» к битуму. При этом при пролежке в течение 13 суток качество сцепления модифицированного битумного вяжущего с поверхностью щебня возросла.
В таблице 7 представлены результаты исследования по ГОСТ 11506-73 влияния М на температуру размягчения модифицированного битумного вяжущего на основе БНД 60/90.
Установлено, что добавление М в битумное вяжущее значительно повышает температуру его размягчения за счет повышения эластичности битумного вяжущего.
В таблице 8 представлены результаты исследования по ГОСТ 11503-74 влияния содержания М на условную вязкость модифицированного битумного вяжущего на основе БНД 60/90.
Установлено, что увеличение содержания М в составе модифицированного битумного вяжущего вызывает рост его условной вязкости и, как следствие, значительно снижает стекание битума с поверхности минеральных наполнителей в асфальтобетонных смесях.
Таким образом, учитывая невысокую энергоемкость технологического процесса приготовления модифицированного битумного вяжущего, а также простоту его реализации и малую длительность процесса, реализация предложенного способ получения модифицированного битумного вяжущего позволяет обеспечить высокие экономичность производства, качество асфальтобетонных смесей и кровельных и изолирующих материалов, а также универсальность модифицированного битумного вяжущего к типам минеральных наполнителей.