БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ
BITUMEN EMULSION

Изобретение относится к битумным эмульсиям, используемым в создании дорожных покрытий.
Известна битумная эмульсия для дорожных работ, включающая битум, катионную адгезионную присадку, соляную кислоту и воду [Методические рекомендации по приготовлению и применению в дорожном строительстве катионных эмульсий. М., СоюздорНИИ, 1973, с.3-24].
Недостатками этой эмульсии являются невысокие стабильность эмульсии и сцепляемость битума с минеральным наполнителем.
Наиболее близкой предлагаемому изобретению является битумная эмульсия [патент RU №2176652, МПК7 С08L 95/00, 2001], включающая битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора и воду. Причем она дополнительно содержит отход процесса пиролиза углеводородного сырья - тяжелую пиролизную смолу (ТПС) при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Битум
20,0-70,0
Эмульгатор
0,1-5,0
Реагент для нейтрализации эмульгатора
0,5-3,0
ТПС
0,4-8,0
Вода
остальное
Рецепт эмульсии позволяет регулировать скорость ее распада при одном и том же содержании эмульгатора, повышает ее стабильность и сцепляемость с минеральным наполнителем, а также способствует экономии битума.
Недостатком эмульсии является недостаточная устойчивость к процессам окислительного старения. Изменения значений глубины проникания иглы и растяжимости битума, выделенного из эмульсии, относительно значений соответствующих показателей исходного битума, использованного для приготовления эмульсии, не соответствуют требованиям ГОСТ 18659-81 на эмульсии битумные дорожные, согласно которым эти изменения не должны превышать 15%, в то время как для прототипа эти изменения достигают 19%. Указанный недостаток, по всей вероятности, вызван наличием в ТПС (согласно результатам анализов методами ЯМР и ИК-спектроскопии), непредельных олефиновых структур и ненасыщенных алифатических альдегидов. Указанный недостаток может привести к сокращению срока службы дорожных покрытий.
Задачей изобретения является улучшение показателя сцепления пленки вяжущего с минеральным материалом (адгезии), повышение устойчивости к расслаиванию и коалесценции эмульсии при хранении, экономия битума и эмульгатора, повышение экологичности состава.
Поставленная задача решается разработкой битумной эмульсии для дорожного строительства, включающей битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора, воду и дополнительный компонент. Причем в качестве дополнительного компонента она содержит водорастворимый полимер - карбоксиметилцеллюлозу при следующих соотношениях компонентов, % мас.:
Битум
30-40
Эмульгатор
0,2-0,5
Реагент для нейтрализации эмульгатора
0,5-1,0
Карбоксиметилцеллюлоза
0,75-1,75
Вода
остальное
Для приготовления эмульсии используют нефтяные дорожные битумы марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90.
В качестве карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) использовали КМЦ по ТУ 2231-017-32957739-02, основные физико-химические характеристики которой приведены в табл.1.
В качестве эмульгатора используют ПАВ Induline W-5 по ISO 14001 или Redicote Е-4875 по DIN EN ISO 9001.
В качестве реагента для нейтрализации эмульгатора используют концентрированную соляную кислоту по ГОСТ 857-95.
Вода должна соответствовать требованиям на оборотную воду для предприятий и дополнительно содержать солей жесткости не более 6,0 мг·экв/л.
Битумную эмульсию готовят по следующей методике: предварительно вода и КМЦ смешиваются до полного растворения последнего при комнатной температуре; затем в полученную подобным образом дисперсную систему вводят ПАВ и заданное количество соляной кислоты. Приготовленная таким образом водная система, называемая далее водной фазой, разогретая до 70-75°С, вводится в коллоидную мельницу (фрезерную мешалку) с регулируемым числом оборотов. Затем разогретый до 120-125°С битум смешивается с водной фазой до однородного состояния.
Образцы битумных эмульсий были приготовлены в соответствии с приведенными примерами.
Пример 1. К смеси из 116,875 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 1,275 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 0,75, вода - 68,75.
Пример 2. К смеси из 116,45 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 1,7 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1, вода - 68,5.
Пример 3. К смеси из 107,525 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,125 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,25, вода - 63,25.
Пример 4. К смеси из 107,1 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,55 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,5, вода - 63.
Пример 5. К смеси из 98,175 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,975 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,75, вода - 57,75.
Пример 6. К смеси из 117,3 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 1,275 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 0,75, вода - 69.
Пример 7. К смеси из 116,875 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 1,7 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 по и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1, вода - 68,75.
Пример 8. К смеси из 107,95 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и2,125 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1,25, вода - 63,5.
Пример 9. К смеси из 99,025 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 2,55 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,25, кислота- 0,5, КМЦ - 1,5, вода - 58,25.
Пример 10. К смеси из 98,6 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 2,975 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1,75, вода - 58.
Для сравнения предлагаемых образцов эмульсий с прототипом были приготовлены 2 образца эмульсий согласно прототипу (примеры 11-12).
Пример 11. В 49,7 г дорожного битума (по ГОСТ 22245-90), нагретого до температуры 110°С, добавляют при перемешивании 0,3 г катионоактивного эмульгатора. Водную фазу готовят следующим образом: в 48,5 г воды добавляют при перемешивании 0,5 г безводной тяжелой пиролизной смолы (ТПС) и 1,0 г соляной кислоты, затем нагревают при перемешивании до 85°С, затем добавляют смесь битума с эмульгатором, имеющую температуру 110°С, и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 49,7, эмульгатор - 0,3, кислота - 1,0, ТПС - 0,5, вода - 48,5.
Пример 12. В 49,7 г дорожного битума (по ГОСТ 22245-90), нагретого до температуры 110°С, добавляют при перемешивании 0,3 г катионоактивного эмульгатора и 2,0 г безводной ТПС. Водную фазу готовят следующим образом: в 47,0 г воды добавляют 1,0 г соляной кислоты, тщательно перемешивают, нагревают этот раствор до температуры 85°С, затем добавляют нагретую до 110°С смесь битума, эмульгатора и тяжелой пиролизной смолы. Перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 49,7, эмульгатор - 0,3, кислота - 1,0, ТПС - 2,0, вода - 47,0.
Физико-механические свойства битумных эмульсий, приготовленных согласно примерам 1-12, приведены в табл.2.
Экспериментальные данные показывают, что разработанные эмульсии в заявляемых пределах обладают высокими показателями сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами (до 100% площади), в то время как для прототипа этот показатель не превышает 95-97% площади. При этом разработанные эмульсии обладают повышенной устойчивостью к расслаиванию и коалесценции при хранении с одновременной экономией битума и эмульгатора и не уступают по указанным показателям прототипу, а наоборот, превышают их. Заявляемые составы могут иметь различное время распада, что существенно для их дальнейшего использования.
Необходимо отметить, что сдерживающим фактором использования ТПС является их канцерогенность в отношении окружающей среды и организма человека в виду значительного содержания ароматических углеводородов. В техническом плане содержащие непредельные углеводороды ТПС проявляют свойства самополимеризации и вызывают это явление в составе битумного вяжущего, тем самым происходит уплотнение материала, существенно снижается эластичность и адгезионная способность.
Таблица 1
Физико-химические свойства карбоксиметилцеллюлозы ЗАО «Эфиры Целлюлозы» (ТУ 2231-017-32957739-02)
Наименование показателей
Значения
КМЦ-9Н
КМЦ-7Н
1
2
3
1. Внешний вид
Волокнистый или порошкообразный материал от беловатого до кремового цвета
2. Массовая доля воды, %, не более
10
10
3. Степень замещения по карбоксиметильным группам, в пределах
0,8-1,0
0,6-0,8
4. Массовая доля основного вещества в абсолютно сухом техническом продукте, %, не менее (стандартный тип 7/тип 7А или тип 9)
50
50/57
5. Динамическая вязкость водного раствора с массовой долей КМЦ 2% при температуре 25°С, мПа·с, в пределах
10-40
10-40
6. Растворимость в воде в пересчете на абсолютно сухой технический продукт, %, не менее
98
98
7. Водородный показатель (рН) водного раствора с массовой долей КМЦ 1%, в пределах
6-9
6-9
Таблица 2
Эксплуатационные характеристики битумных эмульсий
Показатели эмульсий
Номер примера
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Прототип*
11
12
1.Содержание в эмульсии, мас.%
30.00
30.00
35.00
35.00
40.00
30.00
30.00
35.00
40.00
40.00
49.70
49.70
Битума
эмульгатора
0.50
0.50
0.50
0.50
0.50
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
0.30
0.30
Воды
68.75
68.50
63.25
63.00
57.75
69.00
68.75
63.50
58.25
58.00
48.50
47.00
КМЦ
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
-
-
ТПС
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0.50
2.00
Реагента для нейтрализации эмульгатора
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.50
0.50
0.50
0.50
0.50
1.00
1.00
2. Однородность
Неэмульгированных капель битума не наблюдается
3. Устойчивость при хранении в течение
Расслаивания не наблюдается
Расслаивания не наблюдается
7 суток
30 суток
60 суток
Расслаивается
4. Способность эмульсии обрабатывать влажный минеральный материал
Поверхность каменного материала покрыта сплошной пленкой вяжущего
5. Водоустойчивость пленки
Водоустойчивость пленки хорошая
* Образцы приготовлены согласно прототипу