БИТУМОПОЛИМЕРНАЯ МАСТИКА
BITUMEN-POLYMER PASTE

Изобретение относится к составам битумных композиций, используемых в строительстве для гидроизоляции и герметизации элементов конструкций и сооружений.
Известен битумополимерный состав для приклеивания рулонных материалов и гидроизоляции строительных, бетонных и металлических конструкций, включающий асфальт деасфальтизации гудрона западно-сибирской нефти или гудрон западносибирской нефти (92,5-94,0 мас.%), дивинилстирольный термоэластопласт с характеристической вязкостью более 1,0 дл/г (3,5-5,0 мас.%) и отход каталитического крекинга (1,0-3,0 мас.%) (Патент РФ №2276678 С1, дата приоритета 11.01.2005, дата публикации 20.05.2006, авторы Коробкова В.М. и др., RU).
Недостатком известного состава является низкая морозостойкость, характеризуемая температурой хрупкости по Фраасу.
20
26
Известна также битумно-каучуковая мастика, используемая в качестве кровельных материалов, для защиты металлических, бетонных и других оснований, а также для герметизации швов в дорожном строительстве, содержащая (мас.%): битум нефтяной 59,0-80,5; бромбутилкаучук или бутадиеновый каучук, или бутилкаучук, или низкомолекулярный полиэтилен 6,0-15,0; рапсовое масло или фракция Р-олефинов С-С, или отход производства тримеров или тетрамеров пропилена 8,0-15,0; сера 0,5-1,0; доломитовый порошок окатышей горно-обогатительных комбинатов 5,0-10,0 (Патент РФ №2285024 С1, дата приоритета 08.08.2005, дата публикации 10.10.2006, авторы Ганиева Т.Ф. и др., RU).
Недостатком указанной мастики является большое водопоглощение.
Известна битумоминеральная смесь для использования при устройстве дорожных, кровельных и гидроизоляционных покрытий, принятая в качестве прототипа, включающая битум или каменноугольную смолу, низкомолекулярный полиэтилен, машинное масло, толуол и этилсиликат при следующем соотношении компонентов, (мас.%): битум или каменноугольная смола - 10-24; низкомолекулярный полиэтилен - 0,38-1,7; машинное масло - 1,0-3,6; толуол - 2,12-6,8; этилсиликат - 0,75-1,15; минеральный наполнитель - остальное (Авторское свидетельство СССР №808440, дата приоритета 11.03.1979, дата публикации 28.02.1981, авторы Лаврега Л.Я. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является высокое водонасыщение, низкая теплостойкость и морозостойкость битумоминерального состава.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемых составов битумополимерных мастик, состоит в расширении сырьевой базы путем использования зол, образующихся при сжигании твердого топлива, для получения мастик с улучшенными физико-механическими свойствами на основе новых составов смесей.
Технический результат, получаемый при реализации битумополимерных мастик предлагаемых составов, состоит в повышении теплостойкости, морозостойкости, а также в уменьшении водонасыщения мастик.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата битумополимерная мастика, содержащая битум, полимерную добавку, этилсиликат и минеральный наполнитель, согласно изобретению, в качестве полимерной добавки содержит атактический полипропилен, в качестве наполнителя - золу-унос Красноярской ТЭЦ-2, а этилсиликат - 32 при следующем соотношении компонентов, (мас.%): битум - 86-40; атактический полипропилен - 2-10; этилсиликат - 32 - 2-10; зола-унос Красноярской ТЭЦ-2 - остальное.
На достижение технического результата оказывают влияние свойства исходных материалов.
Для приготовления мастики в качестве вяжущего использовался дорожный битум Ачинского НПЗ марки БНД 60/90. В таблице 1 приведены свойства указанного битума в сравнении с требованиями ГОСТ 22245-90 «Битумы дорожные вязкие. Технические условия».
Таблица 1
Наименование показателей
Свойства битума
Требования ГОСТ
1. Температура размягчения по «КиШ», °С
48
не ниже 47
2. Глубина проникания иглы, мм·10<sup>-1</sup>
при 25°С
64,3
61-90
при 0°С
29,3
не менее 20
3. Растяжимость, см при 25°С
больше 1 м
не менее 50
при 0°С
7,5
не менее 3,5
4. Водопоглощение под вакуумом, %
0,45
-
5. Температура хрупкости по Фраасу, °С
-20
не выше - 15
Как видно из таблицы 1, битум по всем показателям отвечает требованиям ГОСТ 22245-90.
2
Для повышения теплостойкости, морозостойкости и снижения водонасыщения мастика, согласно изобретению содержит этилсиликат-32 (ЭТС-32) по ТУ 2435-397-05763441-2003. Согласно указанных ТУ этилсиликат-32 - прозрачная, маловязкая жидкость, представляющая собой сложную смесь олигоэтоксисилоксанов с разной степенью конденсации. Этилсиликат-32 обладает повышенной термостойкостью и может использоваться при температурах от -50 до +60°С. Этилсиликаты классифицируются в зависимости от содержания SiO на этилсиликат-32, этилсиликат-40 и этилсиликат-50. Исследования показали, что лучшей совместимостью с битумом обладает этилсиликат-32, который содержит меньшее количество полимерных алкоксиланов и с меньшей молекулярной массой, то есть является более жидким по сравнению с этилсиликатом-40 и этилсиликатом-50. Поэтому технология приготовления битумоэтилсиликатных вяжущих с этилсиликатом-32 будет более простая, чем с этилсиликатом-40 и этилсиликатом-50, то есть температура и время перемешивания битума с этилсиликатом-32 будут меньше, чем с этилсиликатами других марок. При использовании этилсиликата-32 получаются более однородные, а значит и более плотные составы мастик, что приводит к более результативному снижению их водонасыщения по сравнению с использованием этилсиликатов других марок. Этилсиликат-32 является эффективной универсальной добавкой, улучшающей деформативную способность при отрицательных температурах, водостойкость и прочность сцепления с бетонной поверхностью битумных мастик. Этилсиликат-32 в битуме выполняет двойную роль: одновременно является пластифицирующей и структурирующей добавкой. При приготовлении композиций этилсиликат-32 в битуме находится в жидком состоянии, растворяется в маслах битума, увеличивая содержание морозостойкой части битума, то есть выполняет роль пластифицирующей добавки. За счет этого возможно снизить температуры приготовления и укладки битумополимерных мастик. Затем происходит его гидролиз в битуме с образованием полимерных гелевых продуктов, структурирующих битум. Таким образом, в битуме образуется дополнительная эластичная сетка из гелевых полимерных продуктов гидролиза, что будет способствовать повышению теплостойкости, водостойкости и морозостойкости битумополимерных композиций.
Свойства этилсиликата-32 приведены в таблице 2.
Таблица 2
Свойства этилсиликата-32
Наименование показателей
Свойства
1. Содержание SiO<sub>2</sub>, %
32
2. Плотность при 20°С, г/см<sub>3</sub>
1,05
3. Содержание фракций с температурой кипения, % до 110°С
0,8
110-160°С
1,0
160-180°С
51
4. Температура самовоспламенения, °С
180
5. Температура замерзания, °С, ниже
-60
Однако следует отметить, что продукты гидролиза этилсиликата-32 обладают недостаточной при эксплуатации в районах Сибири морозостойкостью. Поэтому кроме этилсиликата-32 необходимо вводить в битумные композиции полимеры.
В качестве полимерной добавки выбран атактический полипропилен (АПП), который является побочным продуктом при получении полипропилена, и поэтому стоимость его намного ниже, чем других полимеров. АПП обладает повышенной теплостойкостью, водостойкостью и деформативной способностью при отрицательных температурах. В связи с этим он будет повышать эластичность при отрицательных температурах, теплостойкость и уменьшать водопоглощение мастик. Поэтому введение АПП будет усиливать действие этилсиликата-32 при повышении теплостойкости, морозостойкости и снижения водопоглощения мастик.
Атактический полипропилен по ТУ 2211-022-02069318-04 представляет собой каучукоподобное вещество аморфной структуры. Свойства АПП приведены в таблице 3.
Таблица 3
Свойства атактического полипропилена
Наименование показателей
Свойства
1. Внешний вид
Аморфное вещество светло-серого цвета
2. Содержание летучих, %
3
3. Массовая доля золы, %
3
4. Содержание изотактических фракций, %
40
5. Температур каплепадения, °С
130
6. Глубина проникания иглы при температуре 25°С и нагружении 100 г, мм·10<sup>-1</sup>
60
7. Точка плавления, °С
120
8. Вязкость при температуре 180°С, СПз
10000
В качестве минерального наполнителя в мастиках использовалась зола-унос Красноярской ТЭЦ-2, характеризующаяся низкой водопотребностью и представляющая собой тонкодисперсный порошок серого цвета, полученный от сгорания измельченных бурых углей Ирша-Бородинского разреза. Данные по технологическим свойствам золы приведены в таблице 4.
Таблица 4
Технологические свойства золы-унос
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
Истинная плотность, г/см<sup>3</sup>
Остаток на сите 008, %
Водопотребность, %
Начало схватывания, мин.
Конец схватывания, мин.
1,1
2,34
9,8
22,34
20
54
Из таблицы 4 видно, что зола-унос является высокодисперсным материалом и может применяться в качестве минерального порошка в мастиках.
Работы по приготовлению мастики включают следующие операции:
- подготовка битума;
- приготовление битумополимерного вяжущего;
- подготовка минеральных наполнителей;
- приготовление битумополимерных мастик путем дозирования ингредиентов и их смешения.
Подготовка битума заключается в его расплавлении, обезвоживании путем прогрева при температуре 100-110°С до прекращения выделения пены и нагреве до рабочей температуры 150-160°С. Так как этилсиликат-32 связывает воду, оставшуюся в битуме, то процесс выпаривания можно сократить.
Приготовление битумополимерного вяжущего заключается в перемешивании разогретого до рабочей температуры битума с атактическим полипропиленом в течение 20-25 мин. Затем полученную смесь охлаждают до температуры 100-110°С и при непрерывном перемешивании вливают этилсиликат-32. Прогрев смеси после введения всего количества этилсиликата допускается не более 15-20 мин.
Подготовка золы включает ее сушку, просеивание для удаления посторонних предметов, комков и зерен крупнее 3 мм и нагрев до температуры 120-130°С.
Приготовление битумополимерной мастики проводится при последовательном дозировании битумополимерного вяжущего и золы и перемешивания их в мешалке при температуре 100-120°С в течение 15-20 мин. В связи с тем что температура приготовления известных битумополимерных мастик составляет 150-160°С, введение этилсиликата-32 приводит к сокращению энергозатрат, т.е. к снижению за счет этого стоимости мастик. Составы и свойства приготовленных образцов мастик приведены в таблицах 5 и 6.
Таблица 5
Составы битумополимерных мастик
Наименование компонентов
Содержание составов, мас.%
1
2
3
4
Битум
86
74
50
40
Атактический полипропилен
2
10
2
10
Этилсиликат-32
2
6
8
10
Зола-унос
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 6
Свойства битумополимерных мастик
Свойства мастик
Состав №1
Состав №2
Состав №3
Состав №4
прототип
Температура размягчения по методу «Кольцо и шар», °С
54,5
53,0
65,0
64,0
40-51
Водонасыщение, % мас.
0,1
0,5
0,3
0,4
0,9-2,0
Температура хрупкости по Фрааса, °С
-22,2
-29,0
-27,0
-36,7
-15--27
Как видно из таблицы 6, температура размягчения, которая характеризует теплостойкость, и температура хрупкости, которая характеризует морозостойкость, имеют большие значения, а водонасыщение меньше у предлагаемых составов битумополимерных мастик, чем у известных составов (по прототипу).