Полимерно-битумное вяжущее и способ его приготовления
POLYMER-BITUMEN BINDER AND METHOD FOR ITS PREPARATION

Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к полимерно-битумным вяжущим для дорожного покрытия, и способам их получения, может быть использовано для производства полимерасфальтобетона, а также других органоминеральных смесей.
Из уровня техники 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).
Известно также 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.С.№ 272881, опубл.0306.1970г).
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.
Известно также техническое решение, по патенту РФ №2038360, кл. C08L 95/00, согласно которому, вяжущее для дорожного покрытия, 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. Недостатком описанного технического решения является невозможность достижения. полной однородности такого вяжущего, 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.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому эффекту является полимерно-битумное вяжущее (патент РФ № 2496812, МПК С08L95/00, опубл. 27.10.2013), содержащее битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла, наномодифицированного одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц, и полимера. В качестве полимерного компонента в данном вяжущем, используют термоэластопласт - ДСТ-30Р-01. Соотношение компонентов следующее, мас.%: ДСТ-30Р-01 - 1,1-3,4; индустриальное масло - 2,2-9,4; ОУНТ - 0,001-0,03; битум - остальное. Способ получения описанного вяжущего включает введение при перемешивании в битум полимерного компонента. Причем до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента путем смешивания ОУНТ с маслом индустриальным при температуре 100-120°C и последующим введением полимера, после чего полученную смесь при перемешивании вводят в битум при 120-160°C. Недостатком известного решения, является применение индустриального масла, которое по результатам исследований последних лет, оказывает неблагоприятное влияние на интенсивность старения вяжущего (значительно ускоряет старение) [Полякова, В.И. Особенности получения и применения полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве / В.И. Полякова, С.В. Полякова // Дороги и мосты. - 2013. -№1 (29). - С. 277-298], поэтому его не рекомендуется использовать в качестве пластификатора в составе полимерно-битумного вяжущего, а также применение тонкодисперсной добавки из дорогостоящих компонентов. Кроме того, ОУНТ используются без очистки от примесей, следовательно, имеют неоднородный состав, что затруднительно для получения стабильных результатов.
Задачей, стоящей перед предполагаемым изобретением, является получение полимерно-битумного вяжущего для дорожных покрытий, с уменьшенным количеством полимера, с сохранением и улучшением его физико-механических свойств.
Поставленная задача решается за счет введения в состав полимерно-битумного вяжущего (разогретого до температуры 160°С) тонкодисперсного наполнителя - шунгита, а в качестве пластификатора - Унипласта.
Техническим результатом применения предполагаемого изобретения является повышение гомогенности структуры вяжущего, улучшение его адгезии к минеральным материалам, когезии, повышение температуры размягчения, растяжимости при 25 и 0°С и эластичности, что, в конечном итоге, улучшает физико-механические свойства полимерасфальтобетона, такие, как прочность на сжатие при 20 и 50°С, сцепление при сдвиге, трещиностойкость при низких температурах, благодаря высокому структурированию ПБВ за счет введения шунгита.
Предлагаемое полимерно-битумное вяжущее содержит битум, полимер СБС (блок-сополимер бутадиена и стирола), пластификатор - Унипласт, и тонкодисперсную добавку в виде шунгита, в соотношении компонентов, %: полимер СБС 3,15-3,5; Унипласт 1,5; шунгит 3-5; битум - остальное. Отличительным признаком в предлагаемой композиции является применение шунгита в качестве тонкодисперсной добавки. Шунгит, за счет наличия в его структуре фуллеренов имеет высокую концентрацию парамагнитных центров, которые повышают активность шунгита в окислительно-восстановительных реакциях, что, при использовании в полимерных материалах повышает их теплостойкость и стойкость к окислению готового продукта (полимерасфальтобетона). Кроме того, в состав шунгита входит органически растворимая фракция, содержащая в своем составе до 1,5% серы, входящей в состав органических серосодержащих кислот, спиртов, кетонов, альдегидов гуминовых кислот, которые могут действовать как поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие адгезию к минеральному материалу. Унипласт применяется вместо традиционно используемого индустриального масла. Он не содержит в своем составе минеральных масел и пожароопасных веществ, изготавливается из смеси продуктов переработки растительных масел и органических кислот, является нелетучим веществом, не оказывает отрицательного влияния на интенсивность старения органического вяжущего.
Способ приготовления предлагаемого вяжущего осуществляют следующим образом.
Вначале, на основе полимерно-битумного вяжущего, приготовленного по стандартной методике с пластификатором Унипласт, готовят полимерно-битумное вяжущее, содержащее 25-50% шунгита по отношению к массе ПБВ. С этой целью, ПБВ разогревают до температуры 160°С, вводят в эту массу шунгит, затем смесь перемешивают в течение 5 минут. После этого, в полученную композицию вводят остальное ПБВ, приготовленное на основе СБС и Унипласта, до доведения концентрации шунгита в нем 3-5 % и окончательно перемешивают при температуре 160°С до однородного состояния.
В таблице 1 приведены составы образцов приготовленных полимерно-битумных вяжущих, в таблице 2 - составы приготовленных на их основе ПБВ, наполненных шунгитом. В таблице 3 представлены результаты испытаний образцов № 1-12 в сравнении с прототипом.
Как видно, предлагаемое вяжущее превосходит прототип по растяжимости при 0°С и при 25°С, эластичности при 25°С, температуре размягчения и когезионной прочности, при этом достигается полная гомогенность вяжущего за счет введения шунгита, которая оценивалась по микрофотографиям, рис 1-2.
Из таблицы 3 также следует, что увеличение количества шунгита более 5% в составе ПБВ нецелесообразно, хотя введение 10% шунгита позволяет получить вяжущее, отвечающее нормативным требованиям, однако показатель глубины проникания иглы (пенетрация) не соответствует заявленной марке ПБВ 60. При использовании шунгита в количестве 3% этот показатель находится на нижней границе требований ГОСТ, поэтому уменьшение количества наполнителя также нецелесообразно.
Изучение влияния ПБВ, на основе термоэластопласта СБС, наполненного шунгитом, на свойства дорожного покрытия проводили на примере полимерасфальтобетона. Были заформованы образцы полимерасфальтобетона с концентрацией полимера СБС 3,5 и 3,15%, содержащие 5 % шунгита (наиболее рациональная концентрация). Составы представлены в таблице 4.
Влияние шунгита на свойства полимерасфальтобетонной смеси представлено в таблице 5.
Из табл. 5 видно, что введение шунгита в состав ПБВ, содержащего 3,5 и 3,15% СБС приводит к повышению прочности при 20 и 50°С, водостойкости, трещиностойкости и сдвигоустойчивости полимерасфальтобетона.
Введение 5% шунгита при уменьшении количества СБС с 3,5 до 3,15% (состав №5) позволяет получить полимерасфальтобетон, характеристики которого не уступают таковым для состава №2, содержащего 3,5% СБС.
Таким образом, при введении шунгита в состав ПБВ возможно сокращение количества СБС в составе смеси на 10% ( с 3,5 до 3,15%) без потери качества полимерасфальтобетона.