МОДИФИКАТОР БИТУМА ДЛЯ ДОРОЖНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
BITUMEN MODIFIER FOR ROAD ASPHALT CONCRETE

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, а именно к составам горячих асфальтобетонных смесей, используемых при устройстве покрытий автомобильных дорог, аэродромов, мостового полотна и т.п.
Верхние слои таких покрытий должны обеспечивать высокие эксплуатационные качества дорог, особенно на скоростных автомагистралях, защищать нижележащие конструктивные слои от доступа влаги и старения, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог. Одним из путей повышения эксплуатационных свойств дорожного асфальтобетона является модификация битумов и асфальтобетонных смесей различными резиносодержащими, полимерными, адгезионными и др. добавками.
Известен резиносодержащий полимерный модификатор битума, получаемый в удобной форме для транспортировки и прямого его введения в битумную массу на месте использования в дорожном строительстве с низкой температурой хрупкости и повышенной температурой размягчения (патент RU 2158742 C1 C08L 95/00 от 2000.11.10), содержащий масс. %:
Дорожный битум БНД 60/90 или БНД 90/130
50-80
Резиновая крошка
10-25
Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-3
1-5
Полиэтилен высокого давления ПВЭД
1-10
Масло минеральное (соляровое) индустриальное масло И-8А (нафтапласт)
1-15
Наиболее близким по технической сущности является резиносодержащий полимерный модификатор битума (патент RU 2266934 C08L 95/00 от 27 12 2005 г. ), содержащий мас. %:
Битум (БНД 60/90 или БНД 90/130)
47-62
Мазут марки 100
2-5
Резиновая крошка
30-35
Вторичный полиэтилен
3-7
Известь строительная
3,0-6,0
Однако, процесс приготовления такого модификатора слишком сложный и длительный, требующий перемешивания компонентов в течение 5-6 ч при температуре 160°C. Такие условия приготовления модификатора, как и в предыдущем аналоге, приведут к усиленному старению компонентов вяжущего и снижению долговечности асфальтобетона, приготовленного с его использованием. Кроме этого, в данном веществе используют значительные дозировки модификатора (10-20% от массы битума), что ухудшает удобообрабатываемость асфальтобетонных смесей и, как следствие, обуславливает необходимость повышения температуры их приготовления и укладки, удорожая строительство автомобильных дорог.
Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного модификатора позволяющего улучшить свойства вязкого дорожного битума, обеспечить этим повышение эксплуатационных свойств асфальтобетона и увеличить срок службы асфальтобетонных покрытий.
Сущность изобретения заключается в том, что модификатор битума для дорожного асфальтобетона, включающий дорожный битум, резиновую крошку, вторичный полиэтилен, при этом в качестве структурирующей добавки включает нанодисперсный компонент - гидратную известь, а также в качестве поверхностно-активной добавки - адгезив «Азол-1003» при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Битум (БНД 60/90)
30,0-42,0
Резиновая крошка
16,0-21,0
Вторичный полиэтилен (ПЭ)
37,0-41,0
Гидратная известь
4,0-6,0
Адгезионная добавка «Азол-1003»
1,0-2,0
Технический результат работы - улучшение свойств вязких дорожных битумов за счет разработки комплексного модификатора битума, позволяющего при использовании его в асфальтобетонных смесях повышать сдвиго-, трещино-, коррозионную стойкость, а также водостойкость и др. эксплуатационные характеристики дорожного покрытия.
Положительная роль при этом принадлежит вводимым дополнительно в состав модификатора добавок: нанодисперсного компонента -гидратной извести и поверхностно-активной добавки адгезив «Азол-1003». Структурирующая добавка - нанодисперсная гидратная известь (размер большинства зерен менее 100 нм) обладает большой удельной поверхностью. При этом, являясь гидроксидом кальция, она способна активно вступать в химическое взаимодействие с асфальтогеновыми кислотами битума (процессы хемосорбции), оказывая в сочетании с резиновой крошкой и вторичным полиэтиленом структурирующее воздействие на битумное вяжущее и асфальтобетон. Характеристики нанодисперсной гидратной извести приведена в табл. 1. Введение в состав модификатора поверхностно-активной добавки катионного типа «Азол-1003» позволяет повысить адгезию битума к минеральным составляющим асфальтобетонных смесей из кислых горных пород, например к гранитному щебню.
Приготовление модификатора осуществляли в специальном смеси-теле-экструдере, в процессе перемешивания всех вышеназванных компонентов. Смеситель оснащен бункером для приема смеси агломерата полиэтилена, резиновой крошки и нанодисперсной гидратной извести и отдельным вводом для подачи битума. Адгезионную добавку «Азол-1003» вводили в битум при его нагреве. Экструдер обеспечивает возможность перемешивания компонентов в условиях сдвигающих усилий и высокой температуры. Технологические режимы приготовления модификатора были установлены экспериментально: продолжительность перемешивания приняли равной 30 мин, а температуру - 140-150°C. После выхода из экструдера полученная смесь охлаждали в грануляторе с водяным охлаждением и гранулировали.
Приготовленный модификатор представляет собой неслипающиеся гранулы темно-коричневого цвета диаметром 3-4 мм. Он пластичен, без усилий режется ножом и может быть легко введен в асфальтосмеситель непосредственно на месте проведения работ. Это исключает приготовление полимерно-битумного вяжущего на основе дорогостоящих устройств, например, коллоидных мельниц и применение модифицирующих добавок типа индустриальных масел, как правило, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства вяжущего и асфальтобетона.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1. Битум. Использовали вязкий дорожный битум марки БНД 60/90, соответствующий требованиям ГОСТ 22245-90, произведенный на Новокуйбышевском НПЗ. Битум этой марки наиболее часто применяют в условиях средней полосы и в южных регионах России при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий.
2. Вторичный полиэтилен (ПЭ)
2
3
Применяемый ПЭ был представлен агломератом серого цвета, полученным из использованной упаковочной тары. Структура молекулы полиэтилена состоит из длинной цепи метиленовых групп CH и боковых разветвлений, заканчивающихся метальными группами CH. Этот компонент модификатора обладает высокими прочностными и деформационными показателями, химически стоек, паро- и водонепроницаем, эластичен вплоть до температуры минус 70°C. Полиэтилен способен образовывать с вязкими дорожными битумами единую однородную пространственную структуру, что обуславливает повышение температуры размягчения и стойкости к старению органического вяжущего, а также увеличение его химической стойкости при действии кислот, щелочей, жидкого топлива и пр.
3. Резиновая крошка (РК)
Используемая резиновая крошка представляет собой продукт дробления резиновых изделий, например автомобильных изношенных шин, и имеет вид темного порошка с размером зерен менее 1,0 мм. Эта составляющая РПМ способна частично расплавляться в битуме и, равномерно распределяясь между зернами минеральных материалов в процессе приготовления асфальтобетонной смеси, образовывать в асфальтобетоне независимый пространственный каркас, т.е. выступать как дополнительный армирующий элемент. Используемая резиновая крошка соответствует требованиям ТУ 38.108035-87 «Резина дробленая марок РД, РДС и РДЕ».
4. Адгезионная добавка «Азол-1003»
Используемая адгезионная добавка «Азол-1003» является высокоэффективной жидкой композицией из продуктов лесохимических производств и фосфатидов растительных масел. Относится к малоопасным веществам 4-го класса опасности по ГОСТ 12.1007. Использование этой поверхностно-активной добавки катионного типа в составе разработанного модификатора позволяет повысить адгезию битума к минеральным составляющим асфальтобетонных смесей из кислых горных пород, например к гранитному щебню.
5. Нанодисперсная гидратная известь (ГИ)
Применялась гидратная известь удовлетворяющая требованиям ГОСТ 9179-77. Ее получали гашением комовой строительной извести водой. Использованную гидратную известь можно рассматривать как нано-дисперсный компонент (размер большинства зерен меньше 100 нм), резко увеличивающий ее удельную поверхность. При этом, являясь гидроксидом кальция, она способна вступать в химические реакции с асфальтогеновыми кислотами битума, оказывая положительное влияние на формирование структуры асфальтовяжущего. Характеристики используемой извести приведены в таблице 1.
Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов модификатора битума для асфальтобетонных смесей. В качестве исходных материалов применяли охарактеризованные выше компоненты: битум, резиновую крошку, вторичный полиэтилен, гидратную известь, адгезионную добавку «Азол-1003».
За основные характеристики получаемого модифицированного битума приняты температуры размягчения и хрупкости, а для асфальтобетонных смесей, (окончательной цели разработки) - прочность образцов при сжатии при 20 и 50°C, коэффициент водостойкости, водонасыщение образцов, а также показатели устойчивости и жесткости по Маршаллу.
Образцы модификатора изготавливали следующим образом. Предварительно совмещали при перемешивании в соотношении 1:1 нагретый до 150°C битум со вторичным полиэтиленом до образования однородной массы. Затем в смесь добавляли резиновую крошку смешанную с гидратной известью. Все вместе перемешивали с добавлением адгезионной добавки «Азол-1003» при температуре 140°C. Полученную смесь вводили в смеситель-экструдер с последующим гранулированием.
В таблице №2 приведены состав и свойства полученного модификатора в сравнении с наиболее близким аналогом (патент RU 2266934 С1).
В качестве технического результата в табл. 2 представлены составы разработанного модификатора битума для дорожного строительства. При этом составы №№2, 3 и 4, характеризуются улучшенными показателями температур размягчения и хрупкости по сравнению с аналогом. Так, температура размягчения указанных составов находится в интервале 95-102°C, а у аналога - 78-92°C. Рассматриваемые составы модификатора также имеют температуру хрупкости (от минус 35 до минус 30°C), что значительно ниже по сравнению с аналогом (от минус 27 до минус 23°C).
Состав №1 не учтен в формуле изобретения, т.к. он характеризуется несколько повышенной температурой размягчения (125°C). Это может усложнить технологию приготовления горячей асфальтобетонной смеси и увеличить себестоимость ее переработки, ввиду необходимости использования более высоких температур при нагревании вяжущего.
Состав №5 не включен в формулу изобретения, т.к. имеет показатели температур размягчения и хрупкости хуже, чем у аналога (по патенту №2266934 CI).
Приготовленный модификатор далее использовали для приготовления модифицированного вяжущего для асфальтобетонных смесей путем перемешивания битума с предлагаемой добавкой при температуре 150°C.Экспериментально установлено, что необходимая однородность приготавливаемых вариантов модифицированного битума достигается через 30 мин перемешивания. В таких условиях основная масса модификатора (до 80%) расплавляется и равномерно распределяется в битуме. Не расплавившаяся часть добавки представляет собой дисперсные частички резиновой крошки, способные выполнять в асфальтобетоне роль полимерно-армирующей добавки.
Каждый из отмеченных составов полученного модификатора (№2, 3, 4) вводили в битумное вяжущее в количестве 4, 6, 8 и 10 мас. % соответственно на 96, 94, 92 и 90 мас. % битума. Составы и физико-химические свойства получаемых вариантов вяжущего приведены в табл. №3.
Данные, представленные в табл.№3 показывают, что наиболее значительно свойства модифицированного битума, по сравнению с исходным вяжущим, улучшаются при содержании в нем модификатора в количестве 4-8%. При таких дозировках модификатора температура хрупкости битума понижается в более чем в 2 раза, температура размягчения возрастает на 20-40%, показатель старения (изменение температуры размягчения после прогрева вяжущего) улучшается на 20-30%, сцепление вяжущего с гранитным щебнем (повышение адгезии к кислым минеральным материалам) увеличивается в 2 раза и более. Улучшение свойств битума можно объяснить тем, что, оставаясь частично захваченными полиолефиновыми блоками, частицы резиновой крошки, образуют при остывании вяжущего единую эластичную резино-полиолефиновую решетку, структурированную нанодисперсной гидратной известью с образованием прочного сцепления вяжущего с минеральными материалами за счет введения адгезионной добавки «Азол-1003».
Проведенные исследования показали, что введение в битум модификатора в количестве более 8% негативно сказывается на некоторых важных свойствах битума: понижаются глубина проникания иглы и растяжимость вяжущего. При этом также отмечается повышение вязкости системы, что обуславливает необходимость увеличения температур приготовления и уплотнения асфальтобетонной смеси, что в свою очередь может привести к ускорению старения битума в асфальтобетонном покрытии. Поэтому расходы модификатора более 8% следует считать нецелесообразными.
В дальнейшей работе усредненный состав №3 модификатора использовали для оценки возможности повышения качества горячих асфальтобетонных смесей. Рассматривалась плотная асфальтобетонная смесь типа А по ГОСТ 9128. В качестве минеральных составляющих смеси применяли гранитные щебень по ГОСТ 8267 и песок из отсевов дробления щебня по ГОСТ 31424, а также карбонатный минеральный порошок по ГОСТ Р 52129-2003. Оптимальное содержание битума в смеси определяли экспериментально, оно составило 5,3% сверх 100% минеральной части смеси. Количество модификатора принимали 0,00; 0,15; 0,30; 0,45 и 0,60 мас. % также сверх 100% минеральной части смеси. Модификатор вводили одновременно с нагретым до 140-150°C битумом на разогретую до 170-180°C смесь минеральных составляющих асфальтобетонной смеси. Смесь перемешивалась в течение 1 мин в лабораторном асфальтосмесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов.
Результаты испытаний контрольных асфальтобетонных образцов изготовленных и испытанных по стандартным методикам приведены в табл. №4.
Результаты проведенных исследований показывают, что использование предлагаемого модификатора в количестве 0,30-0,45% от массы минеральных составляющих смеси способствует повышению всех основных физико-механических свойств асфальтобетона, в частности увеличиваются пределы его прочности при сжатии при температурах 20 и 50°C.При указанных дозировках модификатора прочность при сжатии исследуемого асфальтобетона при 50°C повышается на 56-783%, водонасыщение снижается на 28-33%, а водостойкость при длительном водонасыщении увеличивается от 0,87 до 0,95-0,97. Это объясняется повышением адгезии битума к поверхности минеральных материалов и улучшением структурообразования смеси благодаря совместному действию адгезионной добавки «Азол-1003» и гидратной извести, а также всех остальных компонентов предлагаемого модификатора - резиновой крошки и полиолефина.. Одновременно повышаются устойчивость и жесткость асфальтобетона по Маршаллу, что положительно сказывается на сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий при высоких летних температурах.
Расход модификатора выше 0,45% сверх 100% (0.60%) минеральных составляющих смеси, как видно из табл. №4, хотя и обеспечивает некоторое повышение физико-механических характеристик асфальтобетона, но ухудшает удобообрабатываемость асфальтобетонной смеси, и снижает водостойкость, устойчивость и жесткость асфальтобетона по Маршаллу.
Введение модификатора в количестве менее 0,15% от массы минеральных части асфальтобетонной смеси не обеспечивает улучшение основных показателей качества асфальтобетона. Поэтому расход модификатора в пределах 0,30-0,45% от массы минеральных составляющих следует признать наиболее целесообразным.
Предлагаемый модификатор, как показали проведенные исследования, оказывает существенное положительное влияние на важнейшие физико-механические характеристики вязких дорожных битумов и горячих дорожных асфальтобетонов. Асфальтобетонные покрытия построенные и использованием модификатора будут обладать улучшенными эксплуатационными свойствами, а именно повышенными сдвиго-, трещино- и коррозионной стойкостью.