КОМПОЗИЦИОННОЕ РЕЗИНОБИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE RUBBER-BITUMINOUS BINDER AND METHOD OF ITS OBTAINING

Изобретение относится к получению композиционных резинобитумных вяжущих, содержащих битум нефтяной дорожный вязкий марок БНД 60/90 и БНД 90/130, резиновую крошку из отработанных автомобильных шин или других шинных отходов размером до 1,5 мм и любое нефтяное масло с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % или любое нефтяное масло с содержанием ароматических углеводородов не менее 10 мас. %. Композиционные резинобитумные вяжущие могут быть использованы в дорожном строительстве для получения асфальтобетонных и битумоминеральных смесей, черного щебня, укрепления грунтов и смесей каменных материалов, подгрунтовки основания, в промышленном и гражданском строительстве - для проведения кровельных и гидроизоляционных работ, получения рулонных гидроизоляционных материалов и битумно-резиновых мастик.
Известна битумная композиция, представляющая собой растворенную в битуме девулканизированную резину, которая достигается нагреванием смеси битума, резиновой крошки и добавок органического основания (ароматические или гетероароматические амины, фосфины) в герметичном реакторе (пат. России 2164927 С2, кл. C08L 95/00, опубл.: 10.04.2001). Способ позволяет получать гомогенную систему с низкой температурой хрупкости, однако использование герметичного реактора подразумевает работу с избыточным давлением и прерывности самого процесса получения резинобитумного композита.
Известна битумно-резиновая композиция, включающая битум, углеводородное масло, жидкий каучук и резиновую крошку (пат. России 2162475 С2, кл. C08L 95/00, опубл.: 27.01.2001). Недостатком этой асфальтобетонной смеси является ее высокая стоимость вследствие использования относительно дорогих компонентов битумно-резиновой композиции: ароматического масла "SUNTEX" 790, бутадиенового каучука (в предлагаемом изобретении не требуется введения дополнительных, дорогостоящих компонентов для получения улучшенных физико-механических характеристик), а также сложность и существенная продолжительность процесса ее приготовления.
Известна модифицирующая композиция в соответствии с патентом RU 2458083 C1, C08L 95/00, опубл.: 10.08.2012, Д2. Указанная модифицирующая композиция включает активный резиновый порошок размером до 1 мм, наполнитель, представляющий собой молотую слюду или смесь молотой слюды и диатомита, содержащую от 15 до 25 мас. % молотой слюды, от 5 до 10 мас. % диатомита, от 1,0 до 2,5 мас. % адгезива и от 1,0 до 2,5 мас. % структурирующей добавки. Недостатками данной композиции являются наличие токсичных компонентов (в качестве адгезива используются смолы, выбираемые из фенолформальдегидной смолы, олигомерной эпоксиэфирной смолы, эпоксиднодиановой смолы) и узкая направленность в соответствии с предлагаемым изобретением.
Известна модифицирующая композиция в соответствии с патентом RU 2327719 С1, кл. C08L 95/00, опубл.: 27.06.2008. По указанному способу битумная композиция включает битум, крошку из вулканизированной резины из отработанных автомобильных шин и нафталиновую фракцию каменноугольной смолы. Недостатками данной композиции и способа ее получения являются сложный технологический процесс ее приготовления с использованием шнекового устройства с продавливанием через фильеры диаметром 1 мм, а также присутствие токсичного компонента (нафталиновой фракции каменноугольной смолы) в ее составе.
Известен способ получения резинобитумного вяжущего из уч. Пособия Г.А. Бонченко, «Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером», «Машиностроение», М., 1994, что добавки резиновой крошки к битуму приводят к улучшению эластичности, трещиностойкости и динамической прочности асфальтобетонов, а также к повышению температуры размягчения, при этом наилучшее качество модификации битумов достигается при использовании нефтяных остатков с высоким содержанием ароматических компонентов для пластификации.
В отличие от уч. Пособия количество резиновой крошки составляет 20%, в то время как автор предлагает использовать от 3 до 5%. Предлагаемое количество резиновой крошки (20%) способствует оптимизированию реологических свойств получаемого вяжущего вещества. При этом глубина проникания иглы увеличивается, повышается температура размягчения, понижается температура хрупкости, что приводит к повышению трещиностойкости и динамической прочности. Из-за большего содержания количества резиновой крошки структура образуется более прочная, что также способствует повышению эластичности системы.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является композиция, получаемая в соответствии с патентом RU 2509787 С2, кл. C08L 95/00, опубл.: 20.03.2014. Способ позволяет получать битумно-резиновую композицию включающую в себя битум, резиновую крошку из измельченных отработанных автомобильных шин с размером частиц до 1 мм (в предлагаемом изобретении до 1,5 мм) и нефтяное масло с вязкостью 0,005-1,6 Па⋅с при 60°С. Соотношение компонентов следующее, мас. %: резиновая крошка - 8-20 (в предлагаемом изобретении от 30 до 60), нефтяное масло - 2-12 (в предлагаемом изобретении от 10 до 25), битум - остальное (в предлагаемом изобретении от 30 до 60). Возможно введение блок-сополимера типа полистирол-полибутадиен-полистирол в количестве до 0,2-5,0 мас. %, этиленвинилацетата в количестве до 0,2-5,0 мас. %, полибутадиена в количестве до 0,2-5,0 мас. % (в предлагаемом изобретении не требуется введения дополнительных компонентов для получения высокой эластичности). Недостатками данной композиции являются низкая эластичность (высокая эластичность достигается лишь при дополнительном введении в состав блок-сополимеров типа полистирол-полибутадиен-полистирол, этиленвинилацетата или полибутадиена), отсутствие сведений о качестве сцепления с поверхностью каменных материалов и ограничения по видам и маркам используемого нефтяного битума.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение ассортимента битумно-резиновых композиций с улучшенными физико-химическими характеристиками (пониженная температура хрупкости, высокая температура размягчения и эластичность, хорошее сцепление с поверхностью каменных материалов, бетонов, металлов и других материалов), получаемых в битумных котлах, оборудованных перемешивающим устройством, в составе которых отсутствуют компоненты, имеющие класс опасности по воздействию на организм человека выше, чем у исходного нефтяного битума.
Композиционное резинобитумное вяжущее, состоящее из битума нефтяного дорожного вязкого марок БНД 60/90 или БНД 90/130, резиновой крошки размером до 1,5 мм и любого нефтяного масла с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. %, отличающееся тем, что способ получения разделен на две стадии и заключается в предварительной термомеханической обработке резиновой крошки размером до 1,5 мм в количестве от 30 до 60 мас. % в среде битума нефтяного дорожного вязкого марок БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 30 до 60 мас. % и любого нефтяного масла с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % в количестве от 10 до 25 мас. % с получением концентрированной суспензии резинобитумного композита, с последующим термомеханическим смешением концентрированной суспензии резинобитумного композита в количестве от 30 до 60 мас. % с битумом нефтяным дорожным вязким марок БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 40 до 70 мас. %.
Сущность изобретения выражается в подборе компонентов, состава и способа получения композиционного резинобитумного вяжущего, отличающихся от прототипа тем, что способ получения разделен на две стадии и заключается в предварительной термомеханической обработке резиновой крошки размером до 1,5 мм в количестве от 30 до 60 мас. % в среде битума нефтяного дорожного вязкого марок БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 30 до 60 мас. % и любого нефтяного масла с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % в количестве от 10 до 25 мас. % с получением концентрированной суспензии резинобитумного композита, с последующим термомеханическим смешением концентрированной суспензии резинобитумного композита в количестве от 30 до 60 мас. % с битумом нефтяным дорожным вязким марок БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 40 до 70 мас. %.
Для получения композиционного резинобитумного вяжущего необходимо использовать нефтяные масла с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % и резиновую крошку размером не более 1,5 мм. Фактическая температура вспышки применяемого нефтяного масла, определяемая в открытом тигле, должна составлять не ниже 220°C.
Для получения композиционного резинобитумного вяжущего используют битумы нефтяные дорожные вязкие по ГОСТ 22245-90* или ПНСТ 1-2012. Фактическая температура вспышки применяемых нефтяных битумов, определяемая в открытом тигле, должна составлять не ниже 220°C.
Заявляемый эффект достигается следующим образом: резиновая крошка размером до 1,5 мм, имеющая температуру, соответствующую температуре окружающей среды, в количестве от 30 до 60 мас. % добавляется в среду битума нефтяного дорожного вязкого марок БНД 60/90 или БНД 90/130 в количестве от 30 до 60 мас. % и любого нефтяного масла с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % в количестве от 10 до 25 мас. %, нагретую в битумном котле при постоянном перемешивании до температуры 200-210°C, после чего температура смеси в течение 15-30 минут доводится до 195-205°C и смесь непрерывно перемешивается в течение 1,5-2,0 часов с образованием концентрированной суспензии резинобитумного композита. Непосредственно после получения в концентрированную суспензию резинобитумного композита в количестве от 30 до 60 мас. % добавляют битум нефтяной дорожный вязкий или битум нефтяной строительный или битум нефтяной кровельный или битум нефтяной изоляционный в количестве от 40 до 70 мас. %, имеющий температуру от 80 до 205°C, отключают нагревательные элементы и смесь окончательно перемешивают в течение 10-15 минут с получением композиционного резинобитумного вяжущего. Температуру нагрева битума нефтяного дорожного вязкого, добавляемого в концентрированную суспензию резинобитумного композита назначают таким образом, чтобы температура готового композиционного резинобитумного вяжущего составляла 150-170°C.
Разделение процесса приготовления на две стадии с образованием концентрированной суспензии резинобитумного композита способствует более равномерному распределению резиновой крошки в растворителе, что исключает неоднородность состава и способствует лучшему перемешиванию. В результате чего нагрев совместно с битумом не допускает перегрева битума, что также положительно сказывается на всей структуре вяжущего.
Указанная технология приводит к тому, что в системе возникают специфические химические процессы, которые приводят к образованию новых органических структур. Образующиеся органические системы способствуют протеканию химических адгезионных контактов с заполнителями, что существенно отличает его от известных составов и приводит к улучшению прочностных и эксплуатационных свойств (Таблица 2).
Пример 1. Лучший вариант осуществления способа получения.
Резиновая крошка размером до 1,5 мм, имеющая температуру, соответствующую температуре окружающей среды, в количестве от 30 до 60 мас. % добавляется в среду битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД 90/130 в количестве от 30 до 60 мас. % и нефтяного масла ПН-6Ш с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % в количестве от 10 до 25 мас. %, нагретую в битумном котле при постоянном перемешивании до температуры 200-210°C, после чего температура смеси в течение 15-30 минут доводится до 195-205°C и смесь непрерывно перемешивается в течение 1,5-2,0 часов с образованием концентрированной суспензии резинобитумного композита. Непосредственно после получения в концентрированную суспензию резинобитумного композита в количестве от 30 до 60 мас. % добавляют битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130 в количестве от 40 до 70 мас. %, имеющий температуру от 80 до 160°С, отключают нагревательные элементы и смесь окончательно перемешивают в течение 10-15 минут с получением композиционного резинобитумного вяжущего.
Пример 2. Допустимый вариант осуществления способа получения.
В среду битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД 60/90 в количестве от 30 до 60 мас. % и нефтяного масла МС-20 с содержанием ароматических углеводородов не менее 50 мас. % в количестве от 10 до 25 мас. %, нагретую в битумном котле при постоянном перемешивании до температуры 200-210°C, добавляют резиновую крошку размером до 1,5 мм, имеющую температуру, соответствующую температуре окружающей среды, в количестве от 10 до 20 мас. %, смесь непрерывно перемешивают в течение 10-20 минут, повторно добавляют резиновую крошку размером до 1,5 мм, имеющую температуру, соответствующую температуре окружающей среды, в количестве от 10 до 20 мас. %, смесь непрерывно перемешивают в течение 30-40 минут, повторно добавляют резиновую крошку размером до 1,5 мм, имеющую температуру, соответствующую температуре окружающей среды, в количестве от 10 до 20 мас. %, смесь непрерывно перемешивают в течение 50-60 минут с образованием концентрированной суспензии резинобитумного композита. Общее содержание резиновой крошки в концентрированной суспензии резинобитумного композита должно составлять от 30 до 60 мас. %. Непосредственно после получения в концентрированную суспензию резинобитумного композита в количестве от 30 до 60 мас. % добавляют битум нефтяной дорожный марки БН 60/90 в количестве от 40 до 70 мас. %, имеющий температуру от 80 до 170°C, отключают нагревательные элементы и смесь окончательно перемешивают в течение 10-15 минут с получением композиционного резинобитумного вяжущего.
Указанные составы способствуют хемосорбционному взаимодействию резиновой крошки, с образованием хемосорбционных мостиковых связей с битумом. Особенно представленные составы влияют на адсорбционную способность с основными горными породами, что позволяет улучшить комплекс технологических и эксплуатационных свойств покрытия.
В соответствии с теорией дисперсных структур П.А. Ребиндера указанные составы способствуют улучшенному адгезионному сцеплению с каменными материалами, при этом повышается коррозионная устойчивость покрытия, значительно снижается колее образование и повышается долговечность дорожных конструкций.
Содержание в составе масла в количестве от 10 до 25 мас. % приводит к минимальному разжижению заявляемой композиции, что позволяет оптимизировать количество жидкой фазы, что дает возможность снижать пластичность и получать структурный каркас образующегося вяжущего.
Заявленный эффект обусловлен разделением процесса получения композиционного резинобитумного вяжущего на две стадии с промежуточным получением концентрированной суспензии резинобитумного композита. Оптимальное соотношение нефтяного битума, нефтяного масла и резиновой крошки в концентрированной суспензии резинобитумного композита при заданном температурно-временном режиме обработки обуславливает хорошую смачиваемость резиновой крошки, ее набухание и частичное растворение с образованием каучукосодержащих компонентов, улучшающих физико-химические свойства композиционных резинобитумных вяжущих. Смешение концентрированной суспензии резинобитумного композита с нефтяным битумом на второй стадии получения композиционных резинобитумных вяжущих способствует максимально щадящему режиму высокотемпературного воздействия на нефтяной битум, так как длительное высокотемпературное воздействие на нефтяной битум ухудшает его свойства и способствует быстрому старению.
Некоторые составы композиционных резинобитумных вяжущих и температурно-временные режимы их получения представлены в таблице 1.
Примечания:
БНД1 - битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90;
БНД2 - битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130;
M1 - нефтяное масло ПН-6Ш;
М2 - нефтяное масло МС-20;
Р1 - резиновая крошка размером менее 1,0 мм;
Р2 - резиновая крошка размером менее 1,5 мм;
РБВ - композиционное резинобитумное вяжущее;
С - концентрированная суспензия резинобитумного композита.
Композиционные резинобитумные вяжущие испытаны по ГОСТ 11501, ГОСТ 11505, ГОСТ 11506, ГОСТ 11507, ГОСТ 11508, ГОСТ 18180. В таблице 2 приведены физико-химические свойства композиционных резинобитумных вяжущих, составы которых соответствуют данным, представленным в таблице 1, в сопоставлении с прототипом.
Примечания: н/д - нет данных; ПР - прототип.
Использование изобретения позволяет получать композиционные резинобитумные вяжущие, имеющие сопоставимые, а по некоторым показателям (эластичность, температура хрупкости по Фраасу) улучшенные физико-химические показатели по сравнению с известными резинобитумными композициями.
Изобретение позволяет повысить долговечность асфальтобетонов и битумоминеральных смесей, конструктивных слоев дорожной одежды автомобильных дорог из черного щебня, грунтов и каменных материалов укрепленных органическим вяжущим, наплавляемых кровель зданий и сооружений, гидроизоляционных слоев. Кроме того, оно содействует защите окружающей среды за счет утилизации резинотехнических отходов.
Преимущественное использование предложенного композиционного резинобитумного вяжущего в отличие от аналогов состоит в:
- наличии в составе всего трех компонентов, имеющих класс опасности по воздействию на организм человека не выше, чем у исходного битума;
- возможности получения на стандартном битумоварочном оборудовании без его модернизации;
- максимальном сохранении свойств нефтяных битумов, значительном замедлении их старения в процессе получения;
- обеспечении высокой эластичности без дополнительного введения полимеров из класса термоэластопластов;
- обеспечении высокой адгезионной способности с поверхностью каменных материалов, бетонов, металлов и других материалов без дополнительного введения поверхностно-активных веществ.