ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЙ ВЯЖУЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER-BITUMEN BINDING MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к полимерно-битумной композиции, относящейся к вяжущему материалу, а также к способу получения указанной композиции на основе битума с использованием полимеров. Изобретение предназначено для использования в дорожном строительстве.
Из патента РФ №2011166, класс C08L 95/00, С08К 13/02, опубл. 30.04.94, известна полимерно-битумная композиция, содержащая 80-99 масс.ч. битума, 1-20 масс.ч. каучука (гомополимеры сопряженных диенов, статистические сополимеры типа стирол-сопряженный диен и линейные или разветвленные блок-сополимеры типа стирол-сопряженный диен, предпочтительнее линейный или разветвленный блок-сополимер типа стирол-бутадиен), 1-20 масс.ч. смеси серы и серосодержащего соединения в массовом соотношении 20-60:40-80 соответственно, которую получают смешением при температуре 150-170°С в течение 1,5-2,0 ч битума и каучука (преимущественно блок-сополимера стирол-сопряженный диен), затем вводят смесь серы и серосодержащего соединения и возможно дополнительно - аминосодержащую добавку, растворимую в битуме (триэтаноламин), и ведут перемешивание в течение 1,5-4,0 ч.
Недостатком как самой известной композиции, так и способа ее получения является длительность ее приготовления, необходимость использования серной вулканизующей группы, представляющей собой смесь элементарной серы и серосодержащего соединения, получение которой выделено в отдельную стадию, возможность неконтролируемого повышения вязкости битумной композиции при хранении из-за протекания процессов вулканизации во времени.
Известна из патента РФ №2011667, класс C08L 95/00, С08К 5/00, опубл. 30.04.1994, полимерно-битумная композиция для гидроизоляции и герметизации, включающая 70-79 мас.% битума, 9,5-15 мас.% бутадиенстирольного термоэластопласта ДСТ-30 или каучуковой крошки (отход производства синтетических каучуков и бутадиенстирольных латексов), 1,0-3,0 мас.% низкомолекулярного сополимера бутадиена с пипериленом или акрилонитрилом, 8,0-10,0 мас.% пластификатора (нафтеноароматические углеводороды), 0,5-1,0 мас.% стеариновой кислоты, 1,5-3,0 мас.% поверхностно-активного вещества (ОП-7 или ОП-10), которую получают смешением в течение 1,5-2,0 ч компонентов либо в смесителе, куда подают нагретый до 160-170°С битум, а затем в него вводят порциями термоэластопласт (или каучуковую крошку) и стеариновую кислоту, перемешивают до однородной массы, после чего последовательно вводят низкомолекулярный сополимер, пластификатор и поверхностно-активное вещество, либо в две стадии: на первой стадии получают концентрат смешением в вакуум-мешалке в течение 1 ч при температуре 70°С части битума со всеми остальными компонентами, на второй стадии вводят в смеситель оставшуюся часть нагретого до 160-170°С битума, вводят концентрат, полученный на первой стадии, и ведут перемешивание при температуре 150-170°C в течение 1,5-2,0 ч, причем соотношение битума, введенного на первой и второй стадиях, составляет 1:1,41-2,95 соответственно (патент РФ №2011667, МПК C08L 95/00, С08К 5/00, приоритет 09.01.91 г., опубл. 30.04.94 г., бюл. №8).
Известная полимерно-битумная композиция обладает повышенной морозостойкостью, прочностью, пониженным относительным удлинением при разрыве при положительных температурах.
Недостатком данной композиции и способа ее получения является многокомпонентность, использование низкомолекулярного сополимера бутадиена с нитрилом акриловой кислоты (НАК), что небезопасно в экологическом отношении, так как при длительном воздействии высоких температур при растворении сополимера в битуме возможно выделение остаточного незаполимеризованного мономера (НАК) в окружающую среду.
Из существующего уровня техники также известна полимерно-битумная композиция, включающая битум, бутадиенстирольный термоэластопласт и адгезионную добавку, в качестве которой используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло:триэтаноламин (66-68):(32-34), при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%: битум 97,3-77, бутадиенстирольный термоэластопласт 2-16, указанная адгезионная добавка 0,7-7,0 (патент РФ №2119513, C08L 95/00, опубл. 27.09.98 г., БИ №27).
Недостатками известной композиции являются:
неопределенный состав таллового масла, в зависимости от типа исходного природного сырья (хвойные или лиственные породы дерева) и технологии получения значительно изменяется содержание смоляных кислот, которые определяют главным образом адгезионные свойства таллового масла;
недостаточно эффективное смешение таллового масла или продукта взаимодействия таллового масла и триэтаноламина с термоэластопластами, что может приводить к нарушению дозировок компонентов при получении полимерно-битумной композиции.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является полимерно-битумная композиция и способ ее получения, известные из патента РФ2226203, класс C08L 95/00, опубл. 27.03.2003. Известная композиция включает в себя битум, блок-сополимер бутадиена со стиролом и адгезионную добавку, при этом в качестве адгезионной добавки композиция содержит малеинизированный низкомолекулярный полибутадиен с содержанием связанного малеинизированного ангидрида 12-21 мас.%, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.: битум 81,0-97,5, блок-сополимер бутадиена со стиролом 2,0-14,0, указанная адгезионная добавка 0,5-5,0. Получают указанную композицию путем перемешивания в смесителе на начальной стадии приготовления термоэластопласта линейного строения ДСТ-30Р-01 и низкомолекулярного малеинизированного полибутадиена в количестве 0,5 кг, содержащего 12 мас.% связанного малеинового ангидрида, в течение 20-60 минут при температуре окружающей среды. Полученную смесь в виде сыпучей крошки в количестве 2,5 кг подают в емкость, снабженную лопастной мешалкой и циркуляционным насосом, с 97,5 кг нефтяного битума, предварительно разогретого до температуры 140-160°С, и ведут перемешивание при температуре 150-160°С в течение 60 мин до полного растворения полимера.
К недостаткам известной полимерно-битумной композиции следует отнести: недостаточно высокую долговечность, низкую растяжимость при низких температурах, недостаточно высокие теплостойкость и стабильность.
Недостатком способа получения известного битумполимерного материала является многостадийность, что обуславливает усложнение самого процесса приготовления смеси, увеличение времени получения готового продукта, что, в свою очередь, приводит к снижению производительности и увеличению стоимости готовой смеси.
Техническим результатом заявленного изобретения в части способа является разработка способа (технологического процесса) получения полимерно-битумного вяжущего материала, обладающего повышенной эластичностью и растяжимостью при низких температурах, низкой температурой хрупкостью, высокой стабильностью, сокращающего при этом время приготовления готовой смеси и упрощающего процесс ее получения.
Техническим результатом заявленного изобретения в части полимерно-битумного вяжущего материала является определение необходимых компонентов, составляющих композицию полимерно-битумного вяжущего материала, а также их соотношение в этой композиции, обеспечивающей достижение указанных выше свойств.
Достижение указанного технического результата в части полимерно-битумного вяжущего материала обеспечивается тем, что этот материал содержит битум и полимерный компонент, при этом в качестве битума содержит битум кровельный и битум строительный, в качестве полимерного компонента содержит СБС(стирол-бутадиен-стирол)-полимер линейного и/или радиального типа при следующих соотношениях указанных компонентов, мас.%:
Битум кровельный
42.0-96.0
Битум строительный
1.0-50.0
СБС-полимер радиального типа
2.0-8.0
СБС-полимер линейного типа
0.5-10.0
Причем при изготовлении полимерно-битумного вяжущего материала соотношение кровельного и строительного битумов выбирают из условия содержания асфальтенов в битумной массе не менее 5% и не более 30%.
Достижение указанного технического результата в части способа получения полимерно-битумного вяжущего материала обеспечивается тем, что при получении указанного материала полимерный компонент и предварительно нагретый битум смешивают, при этом в качестве полимерного компонента используют СБС-полимер линейного и/или радиального типа, 0,5-10,0 мас.% и/или 2.0-8.0 мас.% которых соответственно перемешивают с использованием гомогенизатора с 42.0-96.0 мас.% битума кровельного и с 1.0-50.0 мас.%. битума строительного, при этом процесс перемешивания осуществляют в течение 30-40 минут с поддержанием температуры смеси не более 190°С.
В общем случае предлагаемый к патентованию способ получения полимерно-битумного вяжущего материала в заявленных составе и соотношениях компонентов между собой реализуется следующим образом, при этом, в частных случаях, в зависимости от рецептуры и требуемых свойств готового продукта, не исключается и несколько иная последовательность загрузки и перемешивания его компонентов.
Нефтяные битумы из резервуаров через теплообменник с температурой 190-200°С подаются на участок приготовления полимерно-битумного вяжущего в смеситель. После заполнения требуемого количества битума в смеситель засыпают полимеры в требуемом количестве. Смешивание компонентов согласно рецептуре и дальнейшее перемешивание осуществляют в течение 30-40 минут по кольцу смеситель-гомогенизатор-смеситель. Температура смеси при этом не должна превышать 190°С. В качестве гомогенизатора используется известный гомогенизатор SUPRATON или другой подобного типа, применение которого позволяет измельчить гранулы полимера до 0.5-1.0 мм, что обуславливает более быстрое их набухание и распределение в битуме и позволяет получить полимерно-битумное вяжущее стабильного качества, поскольку при измельчении полимера через гомогенизатор исключено попадание воздуха в объем смеси, что при высоких температурах могло бы привести к интенсивной термоокислительной деструкции полимера, при этом скорость вращения ротора гомогенизатора должна составлять 800-10000 об/мин, а величина капиллярных отверстий или зазора узких щелей - 100-800 мкм.
Поддержание температуры смеси при перемешивании осуществляют циркуляцией горячего масла с температурой 240°С через рубашку смесителя.
Для получения заявленного полимерно-битумного вяжущего материала используют кровельный (марки БНК 40/180, БНК 45/190 ГОСТ 9548) и строительный (марки БНК 90/30, ГОСТ 9548, или БН 90/10, ГОСТ 6617, или марки БНД и БН ГОСТ 22245) битумы, а также полимерный компонент (СБС-полимер линейного и/или радиального типа), растворение которого в указанных битумах позволяет формировать наноструктуру между асфальтенами (твердыми квазисферическими коллоидными частицами диаметром 2-10 нм) битума и полистирольными доменами СБС-полимера. Повышение содержания асфальтенов в дисперсионной среде влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума, что в конечном итоге влияет на дорожное покрытие, которое при содержании асфальтенов менее 5% не имеет достаточной жесткости, а при содержании более 30%, как показала практика, полимер плохо распределяется в битуме, что обуславливает нестабильность полимерно-битумного вяжущего материала.
Пример реализации способа получения полимерно-битумного вяжущего
Количественное соотношение компонентов полимерно-битумного вяжущего берется для его получения в соответствии с рецептурой.
При температуре 195°С в смеситель вводят кровельный битум марки БНК 40/180 и/или БНК 45/190 (ГОСТ 9548) и загружают СБС-полимер радиального и/или линейного типа, пропускает полученную смесь в течение 30-40 минут по кольцу смеситель-гомогенизатор-смеситель, поддерживая при этом температуру смеси не более 190°С. Затем добавляют битум строительный марки БНК 90/30, или БН 90/10, или БНД, перемешивают 5-10 минут посредством гомогенизатора. Полученный таким образом готовый продукт перекачивают в хранилище или отгружают потребителю.
Заявленное изобретение иллюстрируется следующими примерами, содержащими конкретные соотношения входящих в получаемый полимерно-битумный вяжущий материал (ПБВМ) компонентов, представленными в таблице.
Таблица
Наименование компонентов
Состав ПБВМ, мас.%
Стандартный образец ПБВ 60 по ГОСТ 52056
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Кровельный битум (БНК 40/180 или БНК 45/190)
89,5
71,5
48
Строительный битум (БНК 90/30 или БН 90/10)
2
20
40
Массовая доля асфальтенов, %
4,9
18
31
18-38
СБС радиального типа
8
2
2
СБС линейного типа
0,5
6,5
10
Тест на стабильность (хранение полимерно-битумного вяжущего при 180°С в течение 72 часов)
КиШ<sup>верх</sup>-КиШ<sup>низ</sup> (норма не >3)
4
5
1
7
Пенетрация<sup>верх</sup>:пенетрация<sup>низ</sup> (норма от 0,9 до 1,1)
1,5
2
1
2,5
Анализ образцов полимерно-битумного вяжущего
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при температуре
25°С
75
65
70
не менее 60
0°С
58
45
55
не менее 32
Температура размягчения по кольцу и шару, °С
70
82
80
не ниже 54
Растяжимость, см, при температуре
0°С
18
15
32
не менее 11
Эластичность, %, при температуре
0°С
70
68
75
не менее 70
Температура хрупкости по Фраасу, °С
-20
-19
-28
не выше минус 20
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С (по абсолютной величине)
4
5
2
не более 5
Анализ образцов асфальтобетона, изготовленных с использованием полимерно-битумного вяжущего по примеру №3 и стандартного образца ПБВ
Количество циклов сжатия-растяжения до 50% потери прочности образца асфальтобетона
21855
15223
Устойчивость асфальтобетона к колееобразованию (общая деформация D<sub>o</sub>, %)
3
2,08
2,22
Индекс трещиностойкости
0,66
0,54
Индекс сопротивления пластическим деформациям
1,69
1,32
Уровень надежности
0,73
0,87-0,89
0,73-0,75
Таким образом, как следует из приведенных в таблице примеров, получаемый по предлагаемому способу полимерно-вяжущий материал обладает, по сравнению со стандартным образцом полимерно-битумного вяжущего материала, более высокими технико-эксплуатационными показателями, обуславливая тем самым достижение указанного выше технического результата и проявление указанных выше свойств.
Заключение по образцам асфальтобетона
1. Относительная деформация для образцов асфальтобетона, приготовленных с применением предлагаемого полимерно-битумного вяжущего, после 3600 циклов нагружения при (40±2)°С на 19% меньше, чем для стандартных образцов асфальтобетона.
2. Фактический модуль упругости стандартных образцов асфальтобетона выше фактического модуля упругости образцов, изготовленных с применением предлагаемого полимерно-битумного вяжущего на 33% при температуре испытания -20°С, на 10% выше при температуре испытания 0°С и ниже на 2% при температуре испытания 20°С.
3. Деформация стандартных образцов асфальтобетона после 10000 проходов колеса при (50±2)°С выше деформации образцов, изготовленных с применением предлагаемого полимерно-битумного вяжущего, на 6%.
4. Усталостная долговечность стандартных образцов асфальтобетона ниже усталостной долговечности образцов, изготовленных с применением предлагаемого полимерно-битумного вяжущего, на 43%.