БИТУМНАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
BITUMEN COMPOSITION (VERSIONS) AND PRODUCTION METHOD THEREOF

Изобретение относится к способу получения битумных композиций и может найти применение в дорожном строительстве, производстве кровельных материалов и гидроизоляции.
Битум традиционно является основным вяжущим материалом при строительстве дорожного покрытия. Для улучшения физико-механических свойств последних, а именно расширения температурного интервала работоспособности дорожного покрытия, понижения хрупкости (снижение трещиностойкости и повышение эластичности) битум используют в сочетании с модифицирующими добавками, наполнителями. В качестве модифицирующих добавок используют, прежде всего, высокомолекулярные соединения, обеспечивающие способность битума к высокоэластичным деформациям.
Известно битумное вяжущее для дорожного покрытия [патент РФ №2140947; C08L 95/00, C08L 53/02; опубл. 10.11.1999 г.], которое содержит битум, блоксополимеры бутадиена или изопрена со стиролом и растворитель-пластификатор, в качестве растворителя-пластификатора содержит черный соляр битумного производства или полиалкилбензольную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 55,0-95,0, блоксополимеры бутадиена или изопрена со стиролом 0,3-18,0, растворитель-пластификатор 4,5-27,0.
Недостатком известного способа является высокая токсичность полиалкилбензольной смолы.
Известен способ получения битумного вяжущего для дорожного, аэродромного, гидротехнического и других видов строительства [патент РФ №2162476; C08L 95/00; опубл. 27.01.2001 г.]. В известном способе битумное вяжущее получают путем перемешивания битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом в виде раствора в органическом растворителе в количестве 0,1-10,0% от массы битума, отличающийся тем, что в качестве каучуксодержащего компонента используют 11-17% раствор каучука или его отходов, готовящихся постадийно. На первой стадии используют органический растворитель с температурой вспышки не ниже 62°C в количестве 1/3 от общего расчетного количества растворителя, и процесс растворения проводят при температуре не выше 20-25°C при перемешивании в течение 1 ч. На второй стадии добавляют 2/3 расчетного количества органического растворителя с температурой вспышки не более 28°C и процесс растворения проводят при 90-100°C при перемешивании в течение 10-11 ч. А затем подготовленный таким образом каучуксодержащий компонент вводят в битум.
Недостатки указанного способа получения битумного вяжущего состоят в следующем: процесс двухстадийный, а дополнительная стадия предполагает введение каучуксодержащего компонента в битум; модифицированный битум отличается недостаточной адгезией к минеральным наполнителям (выдерживает-соответствует контрольному образцу №2 по ГОСТ 11508-74). Способ применим только для битумов нефтяных дорожных жидких с температурой вспышки, определяемая в открытом тигле, не ниже 45°C.
Известно [патент РФ №2162476; C08L 95/00; опубл. 27.01.2001 г.] использование каучука марки СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК для получения дорожно-строительных материалов, но сочетание его с отходом производства полиэтиленполиамина в литературе не описано.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является битумная композиция и способ ее получения [патент РФ №2119513; C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 93/00; опубл. 27.09.1998 г.]. Битумная композиция, включает нефтяной дорожной битум, бутадиенстирольный термоэластопласт в качестве каучуксодержащего компонента и талловое масло или продукт взаимодействия талового масла и триэтаноламина в качестве адгезионной добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум
97,3-77;
Бутадиенстирольный термоэластопласт
2-16;
Указанная адгезионная добавка
0,7-7,0.
Способ получения битумной композиции осуществляется путем перемешивания битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом и адгезионной добавкой в котором в качестве битума используют нефтяной дорожный битум, каучуксодержащего компонента - бутадиенстирольный термоэластопласт, адгезионной добавки - талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66-68): (32-34). При 25-50°C бутадиенстирольный термоэластопласт перемешивают с адгезионной добавкой, затем при температуре 150-160°C термоэластопласт с адгезионной добавкой перемешивают с битумом при соотношении, мас.%: битум 97,3-77,0, бутадиенстирольный термоэластопласт 2-16, указанная адгезионная добавка 0,7-7,0. Полученный продукт охарактеризован следующим образом: глубина проникания иглы (70-120×0,1 мм), растяжимость (при 25°C - 40-51 см), температура размягчения по кольцу и шару (54-88°C), температура хрупкости по Фраасу (-25 - -65°C), сцепление с мрамором и песком (выдерживает по контрольному образцу №2), т.е. низкая адгезия.
Недостатками указанного способа получения битумной композиции являются невысокие физико-механические показатели, как относительно высокая температура хрупкости и низкая температура размягчения, а также недостаточное сцепление с песком, т.е. адгезия.
Цель изобретения - получение однородного битумной композиции, обладающего высокими физико-механическими свойствами и расширенным интервалом работоспособности материалов, а также разработка способа получения битумной композиции, благодаря которому достигается оптимальное совмещение высокомолекулярного соединения и битума марки БНД 90/130.
Поставленная цель достигается тем, что битумная композиция, включающая нефтяной дорожной битум, каучуксодержащий компонент и адгезионную добавку, содержит в качестве нефтяного дорожного битума битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК, а адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, мас.%:
по первому варианту -
Битум марки БНД 90/130
83-93,
Каучук СКС-30АРКМ-15
5-10,
Отход производства полиэтиленполиамина
2-7.
по второму варианту -
Битум марки БНД 90/130
86-95,
Каучук СКС-30АРК
3-7,
Отход производства полиэтиленполиамина
2-7.
Поставленная цель достигается также тем, что в способе получения битумной композиции путем перемешивания нефтяного дорожного битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом и адгезионной добавкой в качестве нефтяного дорожного битума используют битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРКМ-15 в количестве 5-10% от массы битумной композиции или СКС-30АРК - 3-7% от массы битумной композиции, адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина (с ОАО «Каустик», г. Стерлитамак) в количестве 2-7% от массы битумной композиции, каучук марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК в процесс добавляют в виде 8-12%-ного раствора в органическом растворителе, причем в качестве органического растворителя используют углеводороды, с температурой конца кипения не выше 130°C, растворение каучука в органическом растворителе проводят при температуре 40-50°C перемешиванием в течение 5-6 часов, далее в битум вводят адгезионную добавку и раствор каучука, смесь гомогенизируют в течение 3-4 часов, постепенно повышая температуру до 160-170°C, дальнейшее перемешивание ведут до удаления 97% углеводородного растворителя, а оставшееся количество растворителя - путем продувания азотом.
Использование указанного способа позволяет получить однородное битумное вяжущее за счет эффективного растворения каучукового компонента в углеводородном растворителе и последующей гомогенизации составляющих композиции. Все это позволяет успешно провести оптимизацию как по составу композиции, так и по достигаемым физико-механическим свойствами ее.
Получение битумной композиции по предлагаемому способу путем использования в качестве сырьевых компонентов битум марки БНД 90/130, каучук марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК, отход производства полиэтиленполиамина обеспечивает высокие физико-механические и адгезионные свойства целевого продукта, отвечающие всем требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.
Битум марки БНД 90/130 характеризуется такими показателями как: глубина проникания иглы (при 25°C - 82×0.1 мм), температура размягчения по кольцу и шару (45,1°С), температура хрупкости по Фраасу (-14,0°C), растяжимость (при 25°C - >100), сцепление с минеральным материалом (выдерживает по контрольному образцу №3).
1+4
Каучук марки СКС-30АРКМ-15 характеризуется вязкостью по Муни МБ  (100°C), равной 39. Оптимальное содержание каучука марки СКС-30АРКМ-15 в битумной композиции составляет от 5 до 10 мас.%. При содержании каучука более 10 мас.% несколько снижается температура размягчения и резко повышается вязкость битумной композиции и она становится резиноподобной, что затрудняет технологический процесс ее приготовления. При содержании каучука менее 5 мас.% ухудшаются физико-механические показатели полимерно-битумной композиции и ее основные показатели не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.
1+4
Каучук марки СКС-30АРК характеризуется вязкостью по Муни МБ  (100°C),
равной 38. Оптимальное содержание каучука марки СКС-30АРК в битумной композиции составляет от 3 до 7 мас.%. При содержании каучука более 7 мас.% резко повышается вязкость битумной композиции, что затрудняет технологический процесс ее приготовления. При содержании каучука менее 3 мас.% ухудшаются физико-механические показатели полимерно-битумной композиции и ее основные показатели не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.
Каучуки марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК применяются в виде 8-12% раствора; в данном интервале концентраций обеспечивается полное растворение каучука. При увеличении концентрации более 12 мас.% значительно повышается вязкость каучуксодержащего раствора, что затрудняет процесс гомогенизации, а также не обеспечивается полнота его растворения. При содержании каучука в растворе менее 8 мас.% неоправданно увеличивается расход растворителя.
Отход производства полиэтиленполиамина имеет следующий состав, мас.%: полиэтиленполиамин - 20-35, смесь карбоновых кислот - 10-20, амидоамины - 20-25, имидазолины - 30-35. Известно [патент РФ №2226203; C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 15/00; опубл. 27.03.2004 г.], что азотсодержащие вещества, в частности полиэтиленполиамин, применяются в качестве добавок, повышающих адгезионные свойства ПБВ. В этой связи в качестве адгезионной добавки был выбран отход производства полиэтиленполиамина. Введение добавки в количестве 2-7 мас.% улучшает не только адгезионные свойства, но и положительно сказываются на физико-механических параметрах битумной композиции в целом. При содержании более 7 мас.% и менее 2 мас.% физико-механические показатели недостаточно высоки (глубина проникания иглы при 25°C 143×0,1 мм и 95×0,1 мм; температура размягчения по кольцу и шару 47,6°C и 49,4°C; температура хрупкости по Фраасу -25°C и -29,3°C соответственно) полимерно-битумной композиции и не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.
Процесс приготовления каучука в органическом растворителе проводят при температуре 40-50°C перемешиванием в течение 5-6 часов. При температуре ниже 40°C - скорость растворения каучука низка, при температуре выше 50°C - увеличиваются потери растворителя. Для получения однородного гомогенного раствора каучуксодержащего компонента оптимально вести процесс растворения в течение 5-6 часов. При уменьшении продолжительности растворения менее 5 часов каучук полностью не растворяется. Увеличение продолжительности приготовления раствора каучуксодержащего компонента приводит к лишним энергозатратам.
В качестве органического растворителя применяются углеводороды, с температурой конца кипения не более 130°C, так как каучуки СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК в них хорошо растворяется; они инертны по отношению к компонентам битумной композиции. Углеводороды с температурой конца кипения не выше 130°C выбраны в связи с тем, чтобы в последующем в процессе перемешивания битумной композиции при температуре 160-170°C обеспечить степень удаления растворителя из реакционной массы до 97%.
Физико-механические показатели битумных композиций определяют по следующим методам:
Определение глубины проникания иглы - по ГОСТ 11501-78.
Определение температуры размягчения по кольцу и шару - по ГОСТ 11506-73.
Определение температуры хрупкости по Фраасу - по ГОСТ 11507-78.
Определение растяжимости - по ГОСТ 11505-75.
Определение адгезионных свойств по сцеплению с мрамором или песком по ГОСТ 11508-74.
Данные по составу битумных композиций представлены в таблице 1, по свойствам - в таблице 2.
Изобретение иллюстрируется примером конкретного выполнения. Пример 1.
В смеситель, снабженный лопастной мешалкой, загружают 6 г каучука марки СКС-30АРКМ-15 (ТУ 38.40355-99) в виде крошки размером 2-3 мм и углеводородный растворитель в количестве 60 г, отобранный с установки вторичной перегонки бензинов, с температурой конца кипения 130°C. Приготовление раствора каучука проводят при температуре 45°C путем перемешивания в течение 6 часов. Получают 66 г 9,1%-ного раствора каучука.
В реактор, снабженный лопастной мешалкой, загружают 91 г битума марки БНД 90/130, далее в реактор вводят 66 г полученного раствора каучука и 3 г отхода производства полиэтиленполиамина. Реакционную смесь перемешивают в течение 4 часов, постепенно повышая температуру до 165°C. Дальнейшее перемешивание смеси при данной температуре ведут в течение 1 часа до удаления 97% углеводородного растворителя, который направляется на рецикл. Затем реакционную смесь продувают азотом в течение 15 мин для удаления оставшегося количества растворителя. Получают 100 г битумной композиции. Расход каучука марки СКС-30АРКМ-15 составил 6% от массы битумной композиции, а расход отхода производства полиэтиленполиамина - 3% от массы битумной композиции. Образец полученной битумной композиции подвергают стандартным испытаниям.
Целесообразность выбранных пределов технологического процесса получения битумной композиции представлена в таблице 1.
Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что образцы битумных композиций имеют высокие адгезионные свойства и соответствуют контрольному образцу №1 по ГОСТ 11508-74. Показатели растяжимости и температуры размягчения по кольцу и шару битумных композиций, полученных по заявляемому техническому решению, выше, чем аналогичные показатели для композиций, полученных по прототипу. Наиболее высокие значения указанных показателей имеют полимерно-битумные композиции, содержащие каучук марок СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК и отход производства полиэтиленполиамина. Использование каучука марок СКС-30АРКМ-15, СКС-30АРК является экономически выгодным при использовании их в дорожном покрытии по сравнению с ДСТ-30-01.
Таблица 1
РЕЦЕПТУРА БИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Компоненты смесей
Содержание компонентов, % от массы битумной композиции, по примерам
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10*
11*
12*
13*
14*
15 по прототипу
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1. Битум
93
91
88
91
88
95
93
91
97
90
93
8
94
87
95
2. КаучукСКС-30АРКМ-15СКС-30АРКТермоэластопласт ДСТ-30-01
5
7
10
5
5
3
5
7
1
8
3
12
5
5
4
Адгезионная добавка- отход производства полиэтиленполиамина- продукт ТМТ
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
1
8
1
Итого битумная композиция
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
Таблица 2
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Показатели
Значение показателя по примерам
1
2
3
4
5
6
7
8
9*
10*
11*
12*
13*
14*
15 по прототипу
ТУ 35.1669-88 для вяжущих ПБВ 90/130
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Глубинапроникания иглы при 25°C, 0,1 мм
106
122
129
111
130
97
115
130
90
137
92
138
95
143
80
90-130
Температура размягчения по кольцу и шару, °C
65
59
54
54
51
64
60
56
53
48
54
49
49
48
54
не ниже 50
Температура хрупкости по Фраасу, °C
-38
-35
-32
-35
-31
-37
-35
-34
-28
-30
-29
-28
-29
-25
-37
не выше -30
Растяжимость при 25°C, см
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
>150
43
не менее 15
Сцепление с минеральным наполнителем
№1
№1
№1
№1
№1
№1
№1
№1
№1
№2
№2
№2
№1
№2
№2
выдерживают по контрольному образцу №2
* за пределами граничных условий