ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER-BITUMEN BINDER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к полимерно-битумным вяжущим для строительной отрасли, и способам их получения, может быть использовано при устройстве кровель, гидроизоляций и герметичных швов, а также при приготовлении органоминеральных смесей.
Известно вяжущее для дорожных покрытий, получаемое смешением 85-98 мас.% битума, 15-2 мас.% разветвленного или линейного стирольного блок-сополимера при 200°C-250°C в течение 15-40 минут (ЕР №0458386, кл. C08L 95/00, 1972).
Кроме того, известно вяжущее для дорожных покрытий, получаемое путем введения в битум при температуре 80-200°C и непрерывном перемешивании дивинилстирольных блок-сополимеров типа СБС, взятых в количестве 0,1-10% от массы битума в виде 5-25%-ного раствора в легких растворителях (SU, А, 272881).
Названные вяжущие имеют достаточно высокую прочность, эластичность, однако в том случае, когда в вяжущем отсутствует растворитель, не наблюдается хорошее совмещение полимера с битумом, т.е. структура вяжущего негомогенна, несмотря на то, что процесс его получения осуществлялся при температуре 200-250°C. Негомогенная структура вяжущего является причиной образования трещин на дорожном покрытии при температуре ниже минус 10°C.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения (патент РФ №2038360, кл. C08L 95/00, 1995), содержащее битум, блок-сополимеры алкадиена и стирола и индустриальное масло при следующим количественном соотношении, мас.%:
битум
44,4-98,0
блок-сополимеры алкадиена и стирола
0,1-22,3
масло индустриальное
1,9-33,3
Причем до введения в битум сополимер смешивают при 80-160°C с индустриальным маслом, после чего полученную смесь при перемешивании вводят при 110-160°C в битум.
Изобретение позволяет получить вяжущее, соответствующее по параметрам требованиям, предъявляемым к вяжущим для дорожного покрытия. Однако полной однородности такого вяжущего достигнуть не удается, поскольку сродство индустриального масла, состоящего в основном из нафтеновых углеводородов, к блок-сополимерам алкадиена и стирола невысокое. Вяжущее обладает сравнительно невысокими значениями растяжимости и эластичности, а также неудовлетворительной адгезией.
Отличительным признаком заявляемого изобретения является получение вяжущего, характеризующегося высокими показателями когезии, эластичности, адгезии, температуры размягчения и низкими показателями температуры хрупкости. Достижение заявленных показателей осуществляется путем изменения вязкости индустриального масла введением в его состав одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), что позволяет получить обозначенный положительный эффект при уменьшении содержания полимера в полимерном компоненте.
В части способа приготовления полимерно-битумного вяжущего отличительным признаком является получение однородного вяжущего с равномерно распределенным полимером в наноармированной матрице. Результат достигается за счет последовательного многофакторного перемешивания компонентов в процессе приготовления вяжущего.
В основу заявляемого изобретения положены следующие задачи: путем изменения состава и варьирования технологическими параметрами при приготовлении целевого продукта создать равномерно наноармированную матрицу полимерного компонента с последующим его введением в битум и получить высокооднородное битумное вяжущее, обладающее высокими физико-механическими свойствами с одновременным сокращением расхода полимера и индустриального масла.
Техническим результатом заявленного изобретения в части полимерно-битумного вяжущего материала является определение необходимых компонентов, составляющих композицию полимерно-битумного вяжущего материала, а также их соотношения в этой композиции, обеспечивающего достижение указанных выше свойств.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что вяжущее содержит битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла и полимера, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента содержит полимер класса термоэластопластов (блок-сополимеры бутадиена и стирола типа СБС) - ДСТ-30Р-01, растворитель пластификатор - индустриальное масло, наномодифицированное одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ДСТ 30Р-01
1,1-3,4;
индустриальное масло
2,2-9,4;
ОУНТ
0,001-0,03;
битум
остальное.
В случае приготовления полимерно-битумного вяжущего, с содержанием компонентов, не входящим в обозначенный выше интервал значений, достижение заявленного технического результата не происходит в связи с тем, что при увеличении содержания ОУНТ в полимерном компоненте вязкость вяжущего нарастает, это приводит к уменьшению его растяжимости и сокращению интервала пластичности.
Составы образцов приготовленных вяжущих приведены в таблице 1, а их характеристики в таблице 2. В таблице 1 приведены данные с одинаковым содержанием растворителя-пластификатора для адекватной сравнительной оценки составов вяжущего и установления влияния ОУНТ.
Таблица 1
Состав вяжущих
№/№
Состав, масс.%
Обр
Битум
Растворитель-пластификатор
Наномодификатор
Стирол-бутадиен-стирол
Индустриальное масло И-40А
ОУНТ
ДСТ-30Р-01
1
92,970
5,0
0,3
2,0
2
91,970
5,0
0,03
3,0
3
92,998
5,0
0,002
2,0
4
91,998
5,0
0,002
3,0
91,999
5,0
0,001
3,0
Таблица 2
Характеристики образцов вяжущего
Образцы вяжущего (№/№)
Требования
Известное
Показатели
1
2
3
4
5
ГОСТ Р
вяжущее
52056-2003
(прототип)
ПБВ60
Глубина проникания иглы, 0,1 мм
при 25°C
72
73
69
75
71
60
126-151
при 0°C
40
26
54
57
49
32
70-88
Температура размягчения по кольцу и шару, °C
59
61
59
63
59
54
51-61
Температура хрупкости по Фассу, °C
-21
-26
-27
-33
-30
-20
(-26)-(-31)
Сцепление с
Соответствует образцу №1
С мрамором
мрамором или
С мрамором - 5 баллов
- 5 баллов
песком*
С песком - 4 балла
С песком - 4 балла
Температура вспышки, °C
251
-
246-260
Растяжимость, см
при 25°C
37
31
30,5
71
75
25
26-69
при 0°C
11
14
14,5
16
19
11
21-60
Эластичность, см
при 25°C
82
89
90
93
87
80
58,1-91,8
при 0°C
73
76
85
92
85
70
75-82,5
Когезия, кг/см<sup>2</sup>
10
11
13
15
10
-
-
Интервал  пластичности, °C**
80
87
86
99
89
-
-
* - сцепление с мрамором или песком определяется по ГОСТ 11508-74
** - интервал пластичности определяется как разность между температурой размягчения и температурой хрупкости
Как видно, предлагаемое вяжущее превосходит прототип по растяжимости, эластичности, адгезии, температуре хрупкости для всего интервала состава вяжущего; при этом достигается полная однородность вяжущего. Однородность распределения полимера и ОУНТ в полимерном компоненте оценивали по микрофотографиям, рис.1-2.
При приготовлении модифицированного полимерного компонента с содержанием 0,03% ОУНТ наблюдается следующее: содержание полимера в количестве 2% позволяет получить вяжущее с показателями свойств, отвечающими нормативным требованиям, однако эти показатели пограничны, увеличение количества модификатора ОУНТ в смеси изменяет такие свойства вяжущего, как растяжимость и температура хрупкости, в сторону понижения и несоответствия ГОСТ Р 52056-2003. При увеличении содержания полимера до 3% в образце вяжущего №2 показатели пенетрации при 0°C не соответствуют требованиям ГОСТ Р 52056-2003.
Заявляемое вяжущее характеризуется следующими показателями: глубина проникания иглы при 0°C значительно превышает требования ГОСТ Р 52056-2003, более того, разница между этим показателем, определенным при температуре 25 и 0°C у составов №3-№5, невелика и составляет 30-20%.
В соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 52056-2003 разница между глубиной проникания иглы при температурах испытания 25 и 0°C составляет 87%, динамика изменения глубины проникания иглы в зависимости от температуры испытания в изобретении, взятом за прототип, составляет 80-70%. Известно, что глубина проникания иглы при 0°C характеризует пластичность вяжущих при низких температурах воздуха и является их эксплуатационной характеристикой, свидетельствующей о деформативности и, следовательно, трещиностойкости асфальтобетона. Таким образом, чем выше глубина проникания иглы в вяжущее при 0°C, тем более морозо- и трещиностойким будет асфальтобетон на его основе.
Анализ температуры хрупкости обосновывает это предположение. Сопоставление данных по эластичности показывает, что при содержании ДСТ 2-3% по массе в полимерной матрице, наноармированной 0,002% ОУНТ, эластичность ПБВ достигает своего наибольшего значения - более 90% при 25°C и более 80% при 0°C.
2
2
Значительно меняется когезия полимерного вяжущего. При испытании исходного битума БНД 60/90 величина когезии, определенная на приборе когезиометр (ASTM), составила 8 кг/см, тогда как вяжущего, приготовленного без модификации ОУНТ и с содержанием полимера, 3%-10 кг/см.
Дальнейшее уменьшение ОУНТ в вяжущем не дает заявляемого технического результата по причине отсутствия значимого эффекта от наномодификации полимерного компонента.
На примере образцов вяжущего №3 и №4, содержащих 2% и 3% полимера соответственно, можно сделать вывод, что для приготовления ПБВ марки 60, отвечающего требованиям ГОСТ Р 52056-2003, достаточно 2% ДСТ, в то время как по традиционной рецептуре это содержание колеблется в интервале 3-4%. Таким образом, за счет варьирования содержанием масла индустриального и наномодификатора становится возможным уменьшение содержания полимера ДСТ в вяжущем.
Введение в битум полимера в виде раствора позволяет ускорить процесс получения вяжущего, понизить температурный режим процесса получения, обеспечивая образование однородной структуры, требуемую трещиностойкость вяжущего.
Кроме того, заявляемое битумное вяжущее характеризуется температурой вспышки выше 220°C, что исключает взрыво- и пожароопасность при изготовлении и применении такого вяжущего.
Варьирование компонентным составом заявленного битумного вяжущего позволяет регулировать его свойства в заданном направлении (увеличение теплостойкости/хрупкости и т.д.) и успешно использовать его в различных климатических зонах.
Техническим результатом заявленного изобретения в части способа является разработка способа (технологического процесса) однородного распределения ОУНТ и создание наноармированной матрицы полимерного компонента с последующим объединением с битумом. Заявленный способ позволяет получить высокооднородный полимерно-битумный вяжущий материал, обладающий близкими показателями условной вязкости при температурах испытания 25 и 0°C, а также повышенной эластичностью и растяжимостью при низких температурах, широким интервалом пластичности, низкой температурой хрупкости и высокими показателями когезии, адгезии и стабильности свойств. При этом заявленный способ позволяет сократить расход полимера, время приготовления смеси, а также упрощает его получение.
Достижение указанного технического результата в части способа получения полимерно-битумного вяжущего материала обеспечивается тем, что указанный материал получают путем введения при перемешивании в битум полимерного компонента, отличающийся тем, что до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента. Для его приготовления используют СБС-полимер линейного типа 1,1-3,4 мас.%, который перемешивают с предварительно приготовленным раствором из ОУНТ - 0,001-0,03 мас.% и индустриального масла И-40А - 2,2-9,4 мас.%, диспергированных до однородной массы при температуре 100-120°С. Далее производят смешение полимерного компонента с битумом БНД 60/90 - 87,2-96,7 мас.%, при этом процесс перемешивания осуществляют с поддержанием температуры смеси не более 160°C, в частности, при температуре 120-160°С.