БИТУМНО-РЕЗИНОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ СВЯЗУЮЩЕГО ДЛЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
BITUMEN-RUBBER COMPOSITION FOR ROAD SURFACE BINDER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, в частности получению битумно-резиновых композиций (БРК) связующего для дорожного покрытия на основе битума, и может быть использовано для строительства, ремонта и капитального ремонта дорожных асфальтобетонных покрытий, а также для устройства и ремонта слоев проезжей части мостов и путепроводов.
Предшествующий уровень техники
Использование в строительстве дорог битума с добавлением частиц резины (от использованных покрышек) известно еще с 1960-70-х гг. В наше время в большинстве случаев подобный битум содержит плохо растворенные в нем частицы резины, что не дает оптимальных результатов (недостаточная эластичность асфальтового покрытия, плохое сцепление смеси с каменным наполнителем). Низкое качество прорезиненного битума обосновано плохой растворимостью в нем частиц резины.
Резиновая крошка обычно представляет собой перерабатываемую для вторичного использования резину, которую дробят до измельченного состояния или до микрочастиц путем механического разрезания или дробления. Для того, чтобы регенерировать материал измельченной старой резины, используются различные методики, причем наиболее широко применяется щелочная обработка, при которой дробленая резина подвергается обработке водным раствором гидроксида натрия при повышенной температуре. Другие процессы регенерации включают обработку измельченной резины в перерабатывающих маслах с использованием различных комбинаций высокой температуры и избыточного срезывающего усилия с целью получения сжиженных материалов, которые могут быть использованы при производстве новых шин или в качестве нефтяного топлива.
Кроме того, сделано предположение, что крошка старой резины может вводиться в битумные материалы для дорожных покрытий. Обычно резиновая крошка вводится в асфальтовые покрытия с использованием одного из двух способов, а именно мокрым способом или сухим способом.
В мокром способе резиновая крошка примешивается в асфальтовый цемент путем периодического смешения, при котором отдельные порции резиновой крошки и асфальта смешиваются с получением продукта, путем непрерывного смешения с непрерывным получением продукта, или путем смешения на выходе.
Эластомерный модификатор (резина) набухает в горячем органическом вяжущем, в частности битуме, постепенно образуя с ним неоднородную массу. Процессы набухания и деструкции частиц эластомера протекают медленно и для их интенсификации вводят либо специальные деструктирующие компоненты, либо воздействуют технологическими приемами: повышают температуру процесса, проводят многостадийный нагрев с постепенным подъемом температуры, осуществляют продувку горячим воздухом. Все эти факторы усложняют процесс приготовления асфальтобетонной смеси, при этом не всегда достигается однородное распределение эластомерного модификатора, что отрицательно сказывается на свойствах асфальтобетона.
Еще одной проблемой является быстрое оседание (седиментация) частиц резины в готовом битуме, что также устраняется благодаря повышенной растворимости резины. В результате оседание резины снижается, а транспортировка и работа с битумом становятся проще.
Некоторые производители добавляют в битум химические компоненты для девулканизации резины с целью ее лучшего растворения. В предлагаемом нами изобретении отпадает необходимость в использовании каких-либо химических веществ.
Пример мокрого способа описан в патенте US 4,992,492, опубликованном 12.02.1991. По этому способу готовится смесь асфальта или обработанного серой асфальта (81-86%), резиновой крошки (8-10%), масла для наполнения (4-6%) и высокомолекулярного (>100000) олефин-ненасыщенного синтетического каучука (2-3%), которые смешиваются при температуре 175-180°С в течение приблизительно двух часов. Однако такие композиции не стабильны и не могут выдерживать температуры до -33°С.
Известна битумно-резиновая композиция, включающая битум и дисперсную фазу, представляющую собой резиновую крошку, поверхность которой посредством радикальной полимеризации «подшивается» к непредельным компонентам, содержащимся в битуме. В результате в битуме образуется гетерогенная армирующая пространственная структура из компонентов композиции (патент RU 2167898, опубликован 27.05.2001).
Недостатком данной композиции является то, что требуется использование дорогостоящих инициаторов (перекисные соединения) и соинициаторов (нитроны) радикальной полимеризации. Кроме того, образование пространственной сетки внутри композита предполагает ее разрушение при вторичном нагревании при получении конечного асфальтового материала, что должно отрицательно сказываться на его эксплуатационных свойствах.
Известна битумная композиция, представляющая собой растворенную в битуме девулканизированную резину, что достигается нагреванием смеси резиновой крошки, битума и добавок органического основания (ароматические или гетероароматические амины, фосфины) в герметичном реакторе (патент RU 2164927, опубликован 10.04.2001). Способ позволяет получать гомогенную систему с низкой температурой хрупкости, однако не указано размеров частиц резиновой крошки, подвергаемой растворению, что предполагает использование очень тонко измельченной (следовательно, дорогой) резиновой крошки. Кроме того, использование герметичного реактора подразумевает работу с избыточным давлением и прерывность самого процесса получения битумно-резинового композита.
Известна композиция и способ ее приготовления по патенту RU 2327719, опубликованному 27.06.2008, содержащая битум, резиновую крошку из измельченной отработанной резины автомобильных шин и нафталиновую фракцию каменноугольной смолы. Компоненты перемешиваются в негерметичной емкости при температуре 200-220°С в течение 30-60 мин, а затем смесь в горячем состоянии продавливается с использованием шнекового устройства через фильеры диаметром 1 мм.
Физико-механические характеристики композиции, получаемой известным способом, очень высоки, но существенным недостатком является использование в процессе ее приготовления фракции каменноугольной смолы с температурой кипения больше 200°С в качестве пластификатора. Этот продукт является исключительно вредным для здоровья персонала, так как содержит токсичные вещества, особенно бензопирены.
Кроме того, использование резиновой крошки с размером 5-10 мм и достаточно короткого времени перемешивания 30-60 мин не обеспечивает полной растворимости резиновой крошки в битуме, что также отрицательно сказывается на свойствах смеси при хранении и на эксплуатационных характеристиках конечного продукта, а также использование дополнительного шнекового устройства для продавливания горячей смеси через фильеры усложняет процесс приготовления.
Известна резинобитумная композиция и способ ее приготовления, включающая битум, резиновую крошку, растительное масло в качестве пластификатора и малеиновый ангидрид (патент RU 2448134, опубликован 20.04.2012). Недостатком композиции является использование в качестве дополнительного пластификатора - малеинового ангидрида, для создания с резиновой крошкой полимерного комплекса, обеспечивающего повышение температуры размягчения и эластичности композиции после ее затвердевания, а также повышение адгезионной способности композиции с различными материалами (наполнителями, бетоном).
Малеиновый ангидрид является очень токсичным веществом, раздражающим слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей.
Наиболее близким по технической сущности является патент RU 2162475, опубликованный 27.01.2001, из которого известна композиция и способ ее получения, содержащая битум и диссоциированную до отсутствия различимых частиц резину, получается при термическом и механическом воздействии на смесь битума, углеводородного масла, жидкого каучука и резиновой крошки. Недостатками данной композиции и способа ее получения является длительный и сложный технологический процесс многократных загрузок и прогрева при интенсивном перемешивании, использовании дорогостоящих реагентов - ароматических масел с торговыми названиями «SUNTEH» и «HYDROENE», низкомолекулярного жидкого каучука (полибутадиенового или полиизопренового с молекулярной массой 300-60000). Кроме того, используется резиновая крошка с достаточно широким диапазоном по размеру, что также сказывается на равномерности ее растворения, не указано, какими эксплуатационными свойствами обладает битумно-резиновый композит.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является расширение ассортимента битумно-резиновых композиций с улучшенными эксплуатационными характеристиками при упрощении технологии приготовления композиции, сокращении длительности процесса приготовления.
Техническим результатом является повышение морозостойкости, повышение температуры плавления, устойчивость (снижение седиментации) при хранении, повышенная эластичность и улучшенное сцепление с дорожным покрытием.
Предлагаемое изобретение является одним из эффективных подходов утилизации амортизированных резиновых изделий и отходов их производства.
Указанный технический результат достигается в битумно-резиновой композиции связующего для дорожного покрытия, включающей битум, резиновую крошку из измельченных отработанных автомобильных шин с размером частиц до 1 мм и нефтяное масло с вязкостью 0,005-1,6 Па·с при 60°С, при следующем соотношении компонентов в масс.%:
резиновая крошка
8-20
нефтяное масло
2-12
битум
остальное.
3
Предпочтительно, в битумно-резиновой композиции связующего используют нефтяное минеральное масло с плотностью 0,85-1,04 г/см при 15°С и температурой воспламенения более 225°С.
Предпочтительно, в битумно-резиновой композиции используют резиновую крошку размером до 0,6 мм.
В битумно-резиновую композицию связующего дополнительно может быть добавлен блоксополимер полистирол-полибутадиен-полистирол в количестве до 0,2-5,0 масс.%.
В битумно-резиновую композицию связующего дополнительно может быть добавлен этиленвинилацетат в количестве до 0,2-5,0 масс.%.
В битумно-резиновую композицию связующего дополнительно может быть добавлен полибутадиен в количестве до 0,2-5,0 масс.%.
Указанный технический результат достигается в способе получения битумно-резинового связующего для дорожного покрытия, включающем нагрев битума до температуры 185-220°С, введение нефтяного масла с вязкостью при 60°С 0,005-1,6 Па·с в количестве 2-10 масс.% и резиновой крошки из отработанных автомобильных шин с размером частиц до 1 мм в количестве 8-20 масс.%, при постоянном перемешивании в течение 2-5 ч при постоянной температуре 185-220°С.
3
Предпочтительно, в способе получения битумно-резинового связующего используют нефтяное масло с плотностью 0,85-1,04 г/см при 15°С и температурой воспламенения более 225°С.
Предпочтительно, в способе получения битумно-резинового связующего используют резиновую крошку размером до 0,6 мм.
Предпочтительно, в связующее при температуре 185-220°С дополнительно вводят этиленвинилацетат или блоксополимер полистирол-полибутадиен-полистирол в количестве до 0,2-5,0 масс.%.
Этиленвинилацетат или блоксополимер полистирол-полибутадиен-полистирол вводят через 2-5 ч после добавления резиновой крошки или в процессе перемешивания или в начале перемешивания.
Для приготовления композиции используют дорожные битумы марки БНД 60/90 или 90/130 по ГОСТ 22245-90.
В качестве углеводородного масла используют получаемое на нефтеперерабатывающих заводах нефтяное масло, которое повышает растворимость частиц резины в битуме и увеличивает морозостойкость.
Характеристики нефтяного (минерального) масла, которое используют в битумно-резиновом связующем, представлены в таблице 1.
3
3
3
В качестве нефтяного масла могут быть использованы различные марки масел, например масла следующих марок: Oltech 518 (плотность 0,87 г/см при 15°С, вязкость при 60°С - 0,02 Па·с, температура воспламенения выше 250°С), или, например, марки АР/Е Core 2500 (плотность =0,90 г/см при 15°С, вязкость при 60°С - 0,15 Па·с, температура воспламенения выше 294°С), или масло марки Bituflux 250, ExxonMobil (вязкость при 60°С 1,54 Па·с, плотность при 15°С 1,03 г/см, температура воспламенения выше 292°С).
Резиновая крошка размером до 1 мм, предпочтительно 0,6 мм, может быть приготовлена измельчением амортизированных автомобильных покрышек, как без корда, так и с синтетическим кордом.
Нижний предел - 20% содержания резиновой крошки обусловлен заметным изменением свойств конечного продукта по сравнению с исходным битумом.
Лучший вариант осуществления способа
Битум (марки БНД 90/130 или 60/90) нагревается в цистерне при 185°С-220°С. При постоянном помешивании к битуму добавляется 2-12% нефтяного масла, например марки Oltech 518 (1), AP/E Core 2500 (2), Bituflux 250 (3). Возможно использование других марок, удовлетворяющих свойствам, указанным в таблице 1.
Далее к этой смеси добавляются резиновая крошка (максимальный размер частиц 1 мм) в объеме 8-20%. Полученная смесь перемешивается смесителем в течение 2-5 ч. На каждом этапе производства должна поддерживаться постоянная температура в 185-220°С.
Состав битумно-резиновых композиций (БРК), температурный и временной режим приготовления композиций различного состава приведен в таблице 2.
Результаты испытаний образцов битумно-резиновых композиций различного состава приведены в таблице 3.
Результаты испытаний полученных по изобретению резинобитумных композиций показывают, что они характеризуются более широким интервалом пластичности по сравнению с аналогичными композициями.
Нефтяное масло с указанными в таблице 1 свойствами обеспечивает повышенную степень растворимости резины, понижает температуру хрупкости. Таким образом, конечный продукт имеет повышенное сцепление с дорожным покрытием и повышенную устойчивость к образованию трещин при низких температурах. Связующее по изобретению имеет улучшенное сцепление при температуре минус 33°С.
Повышенная растворимость резины обеспечивает улучшенное распределение ее частиц по всему составу, что удлиняет срок хранения продукта и облегчает работу с ним. Также обеспечивается улучшенное сцепление с каменным наполнителем и поверхностью дороги.
При определенных климатических условиях, повышенном графике или обязательных технических условиях эксплуатации дорожного покрытия в состав смеси могут быть добавлены такие полимеры, как этиленвинилацетат, блоксополимер полистирол-полибутадиен-полистирол или полибутадиен в количестве до 0,2-5,0 масс.%. Полимеры в виде гранул или порошка могут быть добавлены в начале процесса перемешивания вместе с резиновой крошкой или к моменту растворения резиновой крошки.
Наиболее предпочтительно добавлять полимер уже после растворения частиц резины (т.е. через 2-5 ч), но можно добавить и во время перемешивания битума с резиной. Растворение полимера происходит при температуре 185-200°С в течение 0,5-2 ч.
Основные преимущества конечного продукта.
1. Частицы резины лучше растворяются в битуме.
2. В битум добавляется только углеводородное связующее масло для достижения лучшего растворения резины.
3. Имеет большую степень проникновения при низких температурах по сравнению с обычным битумом.
4. Дорожное покрытие с таким битумом не плавится при высоких температурах (повышена температура размягчения по кольцу и шару).
5. Значительно снижена температура хрупкости.
6. Меньший процент оседания резины в смеси во время хранения и проведения дорожных работ.
7. Снижена вязкость конечного продукта, что облегчает его смешение с горячим асфальтом.
8. Высокая устойчивость к образованию трещин и колеи от тяжелой техники.
9. Повышенное сцепление с каменным наполнителем.
10. Повышенная эластичность в условиях интенсивного движения.
Первые 6 ч связующее должно храниться при температуре выше 200°С. Во время транспортировки продукт должен перемешиваться по 20 минут на каждые 4 ч транспортировки.
При необходимости долгого хранения продукт должен храниться при температуре в 185-205°С в течение 7 дней с постоянным перемешиванием.
Оптимальное соотношение количества масла и размера резиновой крошки обуславливают эффект ускорения процесса растворения резины в битуме и отличные эксплуатационные характеристики конечного продукта.
Указанные пределы температурного режима прогрева композиции являются оптимальными, т.к. ниже 185°С растворение резины происходит очень медленно, а выше 225°С температуру повышать нецелесообразно, т.к. идут процессы деструкции макромолекул каучука.
Таблица 1
Вязкость при 60°С, Па·с
Плотность при 15°С, г/см<sup>3</sup>
Температура воспламенения
0,005-1,6
0,85-1,04
выше 225°С
Таблица 2
Состав битумно-резиновых композиций, мас.%
Температура приготовления БРК, °С
Время перемешивания, ч
1
Битум 60/90 - 84; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; Нефтяное масло (2) - 5
185-220
4
2
Битум 60/90 - 82; резиновая крошка (0,4 мм) - 13; Нефтяное масло (2) - 5
185-220
4
3
Битум 60/90 - 79; резиновая крошка (0,8 мм) - 16; Нефтяное масло (1) - 5
185-220
4
4
Битум 60/90 - 75; резиновая крошка (0,6 мм) - 20; Нефтяное масло (1) - 5
185-220
4
5
Битум 60/90 - 81; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; Нефтяное масло (2) - 8
185-220
4
6
Битум 60/90 - 77; резиновая крошка (0,8 мм) - 13; Нефтяное масло (1) - 10
185-220
4
7
Битум 60/90 - 74; резиновая крошка (1 мм) - 16; Нефтяное масло (2) - 10
185-220
4
8
Битум 60/90 - 70; резиновая крошка (0,8 мм) - 20; Нефтяное масло (3) - 10
185-220
4
9
Битум 60/90 - 84; резиновая крошка - 11; Нефтяное масло (2) - 5
185-220
4
10
Битум 60/90 - 79,5; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; Нефтяное масло (1) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 1,5
185-220
5
11
Битум 60/90 - 77; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; Нефтяное масло (2) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 3
185-220
5
12
Битум 60/90 - 90; резиновая крошка - 0, Нефтяное масло (2) - 6; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 4
190-203
1,5
13
Битум 60/90 - 79; резиновая крошка (0,5 мм) - 11; нефтяное масло (3) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 2, полимер был добавлен одновременно с резиновой крошкой
185-220
4
14
Битум 60/90 - 80; резиновая крошка (1,0 мм) - 11; нефтяное масло (2) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 1, полимер был добавлен одновременно с резиновой крошкой
185-220
4
15
Битум 90/130 - 84; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; нефтяное масло (1) - 5
185-220
4
16
Битум 90/130 - 82; резиновая крошка (0,6 мм) - 13; нефтяное масло (1) - 5
185-220
4
17
Битум 90/130 - 79; резиновая крошка (0,8 мм) - 16; нефтяное масло (2) - 5
185-220
4
18
Битум 90/130 - 75; резиновая крошка (0,6 мм) - 20; нефтяное масло (2) - 5
185-220
4
19
Битум 90/130 - 81; резиновая крошка (0,6 мм) - 11; нефтяное масло (2) - 8
185-220
4
20
Битум 90/130 - 80; резиновая крошка - 11; нефтяное масло (2) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 1, полимер был добавлен одновременно с резиновой крошкой
185-220
4
21
Битум 60/90 - 81; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; нефтяное масло (1) - 8
185-220
4
22
Битум 60/90 - 81; резиновая крошка (0,6 мм) - 11; нефтяное масло (3) - 8
185-220
4
23
Битум 60/90 - 80; резиновая крошка (0,8 мм) - 11; нефтяное масло (3) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 1, полимер был добавлен одновременно с резиновой крошкой
185-220
4
24
Битум 60/90 - 80; резиновая крошка - 11; нефтяное масло (1) - 8; ПОЛИСТИРОЛ-ПОЛИБУТАДИЕН-ПОЛИСТИРОЛ - 1, полимер был добавлен одновременно с резиновой крошкой
185-220
4
Использованная в таблице 2 маркировка нефтяных масел:
3
Нефтяное масло (I): вязкость при 60°С=0,02 Па·с, плотность при 15°С=0,87 г/см, температура воспламенения >250°С
3
Нефтяное масло (2): вязкость при 60°С=0,15 Па·с, плотность при 15°С=0,90 г/см, температура воспламенения 294°С
3
Нефтяное масло (3): вязкость при 60°С=1,54 Па·с, плотность при 15°С=1,03 г/см, температура воспламенения >292°С.
Таблица 3
№ образца
Температура размягчения, °С
Вязкость при 180°С
Восстановление при 25°С, %
Степень сцепления при -33°С, (/10**)
Степень устойчивости к образованию трещин при -33°С (/10##)
Описание тонкой пленки продукта при -33°С после 24 ч хранения
1
57.9
0.52
30
6
9
Полуглянцевая
2
60.6
0.54
30
8
5
Полуглянцевая
3
69.6
1.20
34
4
5
Глянцевая
4
72.6
2.55
34
3
3
Полуглянцевая
5
57.8
0.47
34
9
10
Мягкая
6
56.3
0.31
33
9
6
Мягкая
7
62.5
1.12
35
4
4
Полуглянцевая
8
69.5
2.05
39
3
4
Глянцевая
9
54.6
0.2
30
9
7
Мягкая
10
68.3
0.72
45
9
8
Мягкая
11
77.3
0.88
72
8
6
Глянцевая
12
80
0.25
80
2
1
Глянцевая, хрупкая
13
78.4
0.87
68
9
6
Полуглянцевая
14
66.4
0.66
47
10
9
Мягкая
15
56.8
0.44
32
8
9
Мягкая
16
59.8
0.51
32
8
5
Полуглянцевая
17
69.2
1.17
34
5
5
Полуглянцевая
18
72.2
2.51
34
2
2
Полуглянцевая
19
55.7
0.42
35
9
9
Мягкая
20
65.2
0.60
49
10
9
Мягкая
21
56.1
0.44
31
8
8
Мягкая
22
58.2
0.56
32
8
8
Мягкая
23
67.3
0.75
44
8
7
Мягкая
24
66.1
0.62
48
8
8
Мягкая
Битум 60/90
48.1
0.05
5
1
1
Глянцевая, хрупкая
**10/10 - наилучшее сцепление, 0/10 - отсутствие сцепления
##10/10 - отсутствие трещин при -33°С, 0/10 - полное расщепление при нагрузках при -33°С