МОДИФИКАТОРЫ АСФАЛЬТА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В "ТЕПЛЫХ СМЕСЯХ", ВКЛЮЧАЮЩИЕ ПРОМОТОР АДГЕЗИИ
ASPHALT MODIFIERS FOR USE IN "WARM MIXTURES" CONTAINING ADHESION PROMOTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к новому сочетанию поверхностно-активных веществ и модификаторов асфальта, которое облегчает смешивание, укладку и уплотнение асфальтовых смесей при температурах, более низких, чем нормальные, в то же время значительно улучшая свойства влагостойкости горячих или теплых асфальтовых смесей. Данный двойной эффект единого комплекса добавок отличает заявленное изобретение от существующих в настоящее время технологий, использующих асфальт на основе "теплых смесей". Также, в отличие от некоторых других технологий, использующих теплые смеси, данное изобретение не требует применения воды для вспенивания асфальта, и за счет этого достигается снижение температур уплотнения.
Уровень техники
Асфальтовые смеси широко применяются в строительстве и техническом обслуживании дорог, и большую часть асфальтовых смесей, которые применяются в настоящее время, получают горячим способом, и такой асфальт обычно известен как горячая смесь или НМД, а также известен как асфальтобетон. Данные асфальтовые смеси состоят из асфальтового связующего и минерального заполнителя. Использованные заполнители могли бы представлять собой либо природные, либо обработанные заполнители. Применяют обычным образом обработанные заполнители, которые добыты из карьера, раздроблены, разделены на фракции определенного размера, промыты или иным образом обработаны для получения определенных рабочих характеристик конечной НМД. Заполнители обычно представляют собой смесь различных размеров в целях придания асфальтовой смеси желаемых несущей способности и свойств в соответствии с проектом асфальтовой смеси.
Прочность и долговечность асфальтовых дорожных покрытий зависят от различных факторов, таких как свойства использованных материалов, взаимодействие различных материалов и проект (mix design) асфальтовой смеси. Один из ключевых факторов, определяющих прочность и долговечность асфальтового дорожного покрытия, также зависит от способности асфальтовой смеси подвергаться уплотнению с получением желаемых проектных плотностей и воздушных пор. Смесь, которая не уплотнена должным образом, будет обладать малой прочностью и будет склонна к различным повреждениям покрытия. Важно добиться надлежащего покрытия заполнителя асфальтом с оптимальным содержанием связующего и хорошей адгезии асфальта с заполнителем, и хорошей когезионной прочности асфальта, чтобы получить смесь, которая будет обладать хорошими эксплуатационными качествами в течение срока службы дорожного покрытия. Дорожное покрытие проектируют так, чтобы избежать некоторых широко известных повреждений, таких как остаточная деформация, усталостное растрескивание, растрескивание под действием низких температур и вызываемое влагой повреждение.
Смеси проектируют также таким образом, чтобы достичь заданной плотности и % воздушных пор. Температура смеси оказывает большое влияние на ее способность к уплотнению. В зависимости от прогнозируемой нагрузки, оказываемой транспортом, и ожидаемых температур дорожного покрытия в асфальтовых смесях используют различные сорта асфальта. Асфальты с более высоким PG (показателем, отражающим эксплуатационные качества) используют в дорожных покрытиях с высокой транспортной нагрузкой и на территориях, где температуры дорожного покрытия выше. Например, асфальт PG 76-22 используют на автомагистралях в южной части США, а в дорожных покрытиях с более низкими транспортными нагрузками используют асфальты PG 64-22. В случае более высоких показателей PG связующие обычно модифицированы полимерами (РМА) и, следовательно, являются более вязкими, требуя значительно более высоких температур смеси для облегчения уплотнения до целевых проектных плотностей. Одним из важных следствий более высоких температур асфальта является существенное усиление асфальтовых испарений в установке получения горячей смеси и в ходе строительства, что является существенной проблемой для окружающей среды, а также для здоровья персонала. В настоящее время со стороны асфальтовой промышленности наблюдается сильное стремление минимизировать асфальтовые испарения, содействуя рациональному использованию окружающей среды.
Дополнительными преимуществами снижения температур смеси и уплотнения в зависимости от использованной технологии являются более низкие затраты на топливо для установки получения горячей смеси, более низкие затраты на контроль за выбросом газов и то, что меньшие выбросы позволили бы осуществлять строительство дорожного покрытия в районах, не соответствующих экологическим требованиям, где существуют строгие нормативы загрязнения воздуха. Теплая асфальтовая смесь также будет допускать перевозки на более дальние расстояния, поскольку смесь при более низкой температуре будет сохранять более низкую вязкость и обрабатываемость при поступлении на место строительства. Строительство дорожного покрытия из теплой асфальтовой смеси можно осуществлять при более прохладной погоде по сравнению с использованием горячей асфальтовой смеси и, тем самым, расширять период асфальтирования, например, сделать возможным строительство дорожного покрытия поздней осенью и строительство дорожного покрытия ранней весной. Более низкая температура также уменьшила бы показатель окислительного затвердевания асфальта, что улучшит эксплуатационные характеристики дорожного покрытия при увеличении времени его службы.
Существует четкая потребность в уменьшении температур смешивания заполнителей, укладки и уплотнения, и при этом в получении проектных воздушных пор в дорожном покрытии и плотности и в уменьшении выделения испарений до приемлемых уровней.
Вызываемое влагой повреждение также представляет собой серьезную проблему. Вызываемое влагой повреждение в асфальтовых смесях может происходить двумя основными путями. Во-первых, вода будет вытеснять асфальт с поверхности заполнителей, особенно с заполнителей, содержащих более высокие количества диоксида кремния, поскольку вода обладает более высоким сродством к поверхности заполнителей по сравнению с асфальтом и отсутствует химическое связывание асфальта с поверхностью. Это явление известно как отлипание. Адгезия представляет собой образование химической связи между асфальтом и заполнителем. Во-вторых, вода с течением времени при повторной нагрузке может проникать внутрь асфальта и уменьшать когезионную прочность асфальта. Последствия воздействия отлипания и потери когезионной прочности асфальта на свойства смеси могут быть легко оценены с помощью гамбургского испытания на колееобразование (Hamburg wheel tracking test), которое измеряет деформацию смеси под действием повторяющейся нагрузки под водой, и испытания для определения отношения предела прочности, такого как испытание согласно методике ASTM D 4867.
Несколько способов и продуктов на рынке предлагаются для снижения температур уплотнения и смешивания, которые известны как технологии теплого смешивания, и смеси известны как теплая асфальтовая смесь. Данные технологии, которые были предложены на рынке для снижения температур смешивания и нанесения дорожного покрытия, могут быть классифицированы в широком смысле на три категории. Одна такая технология заключается в добавлении продуктов, таких как воск Фишера-Тропша, известный как Sasobit, выпускаемый Sasol GmbH International, который представляет собой агент улучшения текучести вязкого материала, который снижает вязкость смеси заполнителей, тем самым снижая температуры смешивания и уплотнения. Воск Фишера-Тропша, являясь пластомерным материалом, страдает при охрупчивании асфальтового связующего и последующего низкотемпературного усталостного растрескивания, как демонстрируется реометром для испытания на изгиб (Bending Beam Rheometer). Данная технология не требует значительной модификации установки приготовления горячей смеси.
Вторая категория обработок предусматривает введение определенного количества воды в смесь различными способами. Когда температура асфальта или смеси выше температуры кипения воды, вода испаряется и вызывает вспенивание асфальта, тем самым значительно увеличивая площадь поверхности асфальта. Процесс вспенивания снижает вязкость смеси заполнителей, тем самым содействуя получению смеси заполнителей при пониженных температурах, что облегчает нанесение дорожного покрытия при температурах, более низких, чем нормальные. Способ Eurovia Zeolite осуществляют посредством генерации пены путем высвобождения гидратационной воды и таким образом содействует генерации пены в асфальте. Способ получения теплой смеси MeadWestvaco использует воду из эмульгированного асфальта для создания того же вспенивающего эффекта. В способе WAM от Shell воду прямо вводят в процесс горячего смешивания заполнителя, чтобы вызвать вспенивание асфальта. Данные технологии требуют проведения некоторых модификаций в установке горячего смешивания. Проблема, связанная с данными технологиями вспенивания под действием влаги, заключается в неустановленном долгосрочном эффекте повреждения, вызываемого влагой, поскольку воду преднамеренно вводят в смесь.
Третья категория включает способы, в которых изменяют проект механической конструкции установки получения горячей смеси, что позволяет получать смесь при температурах, более низких, чем нормальные, которая может быть использована для укладки дорожного покрытия при температурах, более низких, чем нормальные.
Недостатком низких температур смешивания является то, что они могут обеспечивать менее эффективное высушивание заполнителя. Заполнители обычно содержат переменные количества воды в зависимости от места хранения запасов заполнителя и влажности/количества осадков, установившихся на данной территории. Присутствие воды будет препятствовать надлежащему связыванию асфальта с поверхностью заполнителя и будет приводить к вызываемому влагой повреждению. Это также представляет собой проблему, которую необходимо решать в случае технологии теплого смешивания, в которой преднамеренно вводят воду в смесь.
Настоящее изобретение призвано решить техническую проблему снижения температур смешивания и нанесения дорожного покрытия и в то же время повышения влагостойкости горячей асфальтовой смеси, используемой для создания поверхностей дороги, без ухудшения эксплуатационных характеристик асфальтовой смеси. Конкретнее, авторы настоящего изобретения обнаружили, что новое сочетание поверхностно-активных веществ и модификаторов реологии может улучшить легкость смешивания, укладки и уплотнения асфальтовых смесей посредством снижения вязкости асфальтового связующего и смеси заполнителей в ходе производства и нанесения смеси для создания дорожного покрытия и, тем самым, снижает уплотняющее усилие, требуемое для получения оптимальных проектных плотностей. Предложено уникальное сочетание поверхностно-активных веществ, которые способствуют уплотнению, а также функционируют как промоторы адгезии, способствуя улучшению нанесения асфальта на поверхности заполнителей и его связывания с ними. Асфальтовое связующее, модифицированное данными поверхностно-активными веществами, обладает более высоким сродством к поверхности заполнителя по сравнению с водой, и поэтому вода не может вытеснить асфальт с поверхности заполнителя или привести к его отлипанию от нее. Модификаторы реологии также повышают прочность когезии асфальта при температурах дорожного покрытия и тем самым дополнительно повышают свойства влагостойкости смеси. Это представляет собой первый пример, когда уникальное сочетание поверхностно-активных веществ и модификаторов реологии использовано в виде единого комплекса, который функционирует как вспомогательное средство для уплотнения/теплая добавка и промотор адгезии одновременно. В отличие от других добавок и технологий приготовления теплых смесей данное изобретение не использует преднамеренное введение воды в смесь и не оказывает какого-либо отрицательного воздействия на свойства асфальта при низкой температуре, как демонстрируется реометром для испытания образца-балочки на изгиб.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к комплексу добавок для асфальтовой композиции, который включает новое сочетание поверхностно-активного(ых) компонента(ов) и модифицирующего(их) реологию компонента(ов). Модификаторы, которые модифицируют реологию (вязкость) асфальта, в частности, снижают вязкость асфальта и смеси заполнителя для асфальта при температурах смешивания и нанесения дорожного покрытия. Способность поверхностно-активных веществ снижать поверхностное натяжение асфальта и тем самым увеличивать смачивающие характеристики асфальта в отношении поверхности заполнителя дополнительно способствует уплотнению. Объединенный эффект модификаторов реологии и поверхностно-активных веществ содействует уплотнению смесей при температурах, более низких, чем нормальные. Далее, комплекс добавок изобретения также улучшает сродство асфальта к поверхности заполнителя и его химическое связывание с ней и тем самым увеличивает стойкость связи заполнитель-асфальт к воде, а также повышает когезионную прочность асфальта.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к битумной или асфальтовой композиции для дорожного покрытия поверхностей дороги, причем указанная композиция включает смесь битума и заполнителей и комплекс добавок, распределенный в ней.
Комплекс добавок по изобретению включает сочетание поверхностно-активных компонентов и модифицирующих реологию компонентов. Поверхностно-активный компонент предпочтительно включает по меньшей мере одно или более аминных или модифицированных аминных поверхностно-активных веществ, тогда как модифицирующий реологию компонент включает по меньшей мере один или более из компонентов: i) восковой компонент и ii) смолистый компонент. Восковой компонент может представлять собой производное сырой нефти или синтетических источников, таких как источники Фишера-Тропша или полиэтиленовые или полипропиленовые источники с точкой застывания в диапазоне от 60°С до 150°С и выше.
Комплекс добавок по изобретению положительно влияет на способность к уплотнению смесей при температурах, более низких, чем нормальные, посредством уменьшения вязкости смеси заполнителя для асфальта и значительно улучшает свойства влагостойкости асфальта, улучшая как адгезионные, так и когезионные свойства асфальта. Сочетание модификаторов реологии и поверхностно-активного вещества не ухудшает никаких из свойств, требуемых от асфальта при низких температурах, как демонстрируется реометром для испытания на изгиб.
Любая горячая асфальтовая смесь, известная специалисту в данной области, может быть использована в контексте настоящего изобретения. Например, стандартный асфальтовый слой износа, типично содержащий примерно от 3 до 8% битума, и так называемый щебеночно-мастичный асфальт, который содержит примерно от 6,5 до 8,5% битума, могут быть, оба, легко использованы. Поскольку заявляемым эффектом является способность к уплотнению при температурах, более низких, чем обычные, и улучшение адгезии и когезии связующего для минимизации вызываемого влагой повреждения, идея изобретения применима к любым асфальтам подходящего для строительства дорог сорта и модифицированным асфальтам, таким как различные сорта PG-асфальтов (классифицированных по эксплуатационным качествам), включая асфальты, модифицированные полимерами, асфальты, модифицированные шинным каучуком, асфальты, модифицированные Гильсонитом, или асфальт из Асфальтового озера в Тринидаде и схожие материалы.
Как обсуждено выше, комплекс добавок по изобретению включает от примерно 10 до 60% по массе аминного или модифицированного аминного поверхностно-активного вещества и от примерно 20 до 90% модифицирующего реологию компонента. Поверхностно-активный компонент предпочтительно включает по меньшей мере одно аминное или модифицированное аминное поверхностно-активное вещество, тогда как модифицирующий реологию компонент включает по меньшей мере один или более из компонентов: i) восковой компонент и ii) один или более смолистый(ых) компонент(ов). В случае некоторых асфальтовых смесей могут быть использованы смеси двух или более модифицирующих реологию компонентов, которые могут входить в любую из групп i)-ii). В другом варианте осуществления комплекс добавок по изобретению включает от 20 до 60% по массе аминного или модифицированного аминного поверхностно-активного вещества и от примерно 30 до 80% модифицирующего(их) реологию компонента(ов). Если модифицирующий реологию компонент включает два модификатора реологии из отдельных классов i) или ii) согласно изобретению, предпочтительно, чтобы они присутствовали в соотношении от 20:80 до 80:20, более предпочтительно от 40:60 до 60:40, и в другом варианте осуществления в пропорциях приблизительно 50:50.
Более подробное описание каждого комплекса добавок и каждого из материалов-компонентов и их свойств приведено ниже.
Поверхностно-активный компонент
Поверхностно-активный компонент комплекса добавок по изобретению включает по меньшей мере одно аминное и/или модифицированное аминное поверхностно-активное вещество или их смеси. В одном примере поверхностно-активный компонент выбран из аминов, диаминов, полиаминов, этоксилированных аминов, этоксилированных алкилдиаминов, этоксилированных алкилполиаминов, амидоаминов, амидополиаминов, имидазолинов и/или любых соответствующих им органических и/или неорганических солей, и смесей и сочетаний упомянутых веществ. Некоторые примеры аминных и/или модифицированных аминных поверхностно-активных веществ, применимых в контексте изобретения, в общем виде изображены следующими общими формулами:
I. Амины
,
1
2
1
2
в которых R представляет собой насыщенный или ненасыщенный, замещенный или незамещенный, необязательно разветвленный или циклический углеводородный радикал (цепь/группу/фрагмент) с 8-24 атомами углерода, например, производных жирных кислот животного происхождения (tallow fatty acids) или жирных кислот таллового масла (tall oil fatty acids). R и R могут быть одинаковыми или различными и выбраны из водорода или углеводородного радикала (цепи) с 1-24 атомами углерода. R и R предпочтительно выбраны из водорода или метила. Репрезентативным примером является гидрированный жирный амин животного происхождения (CAS №61788-45-2).
11. Диамины и полиамины
,
3
3
3
2
2
2
где R имеет то же значение, что и в приведенной выше формуле I, a R представляет линейный или разветвленный углеводородный радикал с 1-6 атомами углерода. В одном варианте осуществления R представляет собой пропиленовый радикал (-СНСНСН-), а х представляет собой малое целое число, меньшее или равное 6. Репрезентативным примером, где R = остаток жирной кислоты животного происхождения (tallow), х=1 и R = пропилен, является жирный N-пропилендиамин животного происхождения (CAS №61791-55-7).
III. Этоксилированные и/или пропоксилированные амины
,
4
4
3
где R имеет то же значение, что и в приведенной выше формуле I; и x и y независимо выбраны из 0, 1 или 2, и каждый Rнезависимо выбран из Н или СН. В одном варианте осуществления x=y=1. Репрезентативным примером, где R=Н и R = остаток гидрированной жирной кислоты животного происхождения, x=y=1, является гидрированный жирный N,N-диэтаноламин животного происхождения (CAS №90367-28-5).
IV. Этоксилированные и/или пропоксилированные алкилдиамины и этоксилированные алкилполиамины, например,
,
3
4
4
3
3
в которых R и R имеют то же значение, что и в приведенной выше формуле II; x, y и z независимо выбраны из 0, 1 или 2, и x+y+z < или = 5, и каждый R независимо выбран из Н или СН. В одном варианте осуществления x=y=z=1. Репрезентативным примером, где x=y=z=1, R=Н и R = пропилен, является гидрированный N,N,N'-трис(2-гидроксиэтил)-1,3-диаминопропан животного происхождения (CAS №90367-25-2).
V. Амидоамины
,
1
2
3
1
2
3
8
22
в которых R, R, R и R имеют то же значение, что и в приведенной выше формуле I. Репрезентативный пример, где R=R = метил и R = пропилен, и R=С-С-алкил, имеет CAS №84082-43-9.
VI. Амидополиамины и имидазолины, например,
,
3
в которых R и R имеют то же значение, что и в приведенном выше примере I, и x = целому числу от 1 до 10. Данная группа включает продукт реакции жирных кислот или сложных эфиров со сложными смесями полиэтиленполиаминов и родственных соединений, которые также могут содержать циклические и замещенные азоты, полученные в качестве побочных продуктов при производстве диэтилентриамина и этилендиамина. Репрезентативные соединения имеют CAS №402591-95-1, 68910-93-0, 103213-06-3, 95-38-5.
Продукты, перечисленные выше, могут присутствовать в смесях, описанных в изобретении в виде своих солей органических или неорганических кислот, включая следующие, но не ограничены ими: соли длинноцепных жирных кислот, например стеариновой кислоты, соли фосфорных кислот или замещенных фосфорных кислот, уксусной кислоты, нафтеновых кислот, канифольных кислот и так далее.
Конкретные поверхностно-активные вещества, пригодные для применения в комплексе добавок по изобретению, включают следующие, но не ограничены ими: этоксилированные амины кислот животного происхождения, жирные амины, производные жирных аминов, амидоамины/имидазолины таллового масла, бис-гексаметилентриамин и высшие олигомеры гексаметилендиамина, другие алкиламинные поверхностно-активные вещества с углеводородной цепью, состоящей из 8-22 атомов углерода, и их смеси и сочетания. Конкретные примеры таких поверхностно-активных веществ включают следующие, но не ограничены ими: жирный N-пропилендиамин животного происхождения, трис-этоксилированный жирный N-пропилендиамин животного происхождения, Redicote C-450, смесь имидазолинов и амидополиэтиленполиаминов, Wetfix 312 - смесь имидазолинов и амидоаминов, доступную от Akzo Nobel Surface Chemistry LLC, Чикаго, Иллинойс. Поверхностно-активный компонент может также включать гидрированный жирный пропилендиамин животного происхождения, этоксилированный гидрированный жирный пропилендиамин животного происхождения, дипропилентриамин, жирный трипропилентетрамин животного происхождения и их производные, и амиды, получаемые в результате конденсации жирных кислот с диметиламинопропиламином.
Модифицирующий реологию компонент
Модифицирующий реологию компонент комплекса добавок по изобретению включает i) по меньшей мере один углеводородный полимерный компонент, который мог бы включать материалы, обычно известные как воски, ii) по меньшей мере один смолистый компонент, и их смеси и сочетания.
Восковой компонент
i) : Восковые модификаторы, которые могут быть выгодно использованы в контексте изобретения, включают следующие, но не ограничены ими: воски растений (например, карнаубский воск), животных (например, пчелиный воск), минерального происхождения (например, монтан-воск (Montan™, торговая марка), произведенный из угля, включая окисленные воски); амидные воски (например, этилен-бис-стеарамид, стеариламид, стеарилстеарамид); жирные кислоты и мыла восковой природы (например, стеарат алюминия, стеарат кальция, жирные кислоты); другие жирные материалы восковой или смолистой природы (жирные спирты, гидрированные жиры, жирные сложные эфиры и так далее) со способностью схватывать асфальт и тому подобное, полимеры пластомерного характера (полиэтилен, полипропилен, этилвинилацетат). Воск Фишера-Тропша (произведенный из угля) или нефтяного (например, парафиновый воск, полиэтиленовый воск, воск Фишера-Тропша из газа) происхождения, включая окисленные воски, могут быть также использованы согласно изобретению. В одном варианте осуществления количество воска Фишера-Тропша или его производного, введенного в асфальт, поддерживают ниже 0,5% по массе асфальта/битума. Восковой компонент может представлять собой производное сырой нефти или способа Фишера-Тропша или других способов получения синтетического воска, такое как, например, полиэтиленовые и полипропиленовые воски с точкой застывания в диапазоне от 60°С до 150°С и выше. Вышеназванные продукты в основном растворимы в асфальте при температурах горячей смеси, что обеспечивает получение гомогенного связующего, и/или плавятся при температуре смеси, и ингредиенты будут диспергироваться/растворяться в смеси. Восковые и смолистые ингредиенты потенциально улучшают вязкостные и реологические свойства асфальта при температурах смешивания и уплотнения, и когезионные свойства асфальта при температурах дорожного покрытия, тогда как поверхностно-активный компонент уменьшает поверхностное натяжение и кроющую способность асфальта и тем самым дополнительно содействует уплотнению и в то же время будет улучшать адгезию асфальта к заполнителю. Совместно ингредиенты обеспечивают улучшенное уплотнение при температуре, более низкой, чем нормальная, улучшая при этом адгезионные и когезионные свойства смеси, делая ее более стойкой к вызываемому водой повреждению.
В одном варианте осуществления изобретение предпочтительно использует углеводородный полимер, также известный как полиэтиленовый воск, полученный полимеризацией этилена в присутствии катализатора (ссылка). Точка застывания воска находится в диапазоне от 80°С до 120°С с вязкостью по Брукфилду при 135°С в диапазоне от 10 до 40 сантипуаз.
Смолистый компонент
ii) : Второй тип модифицирующего реологию компонента включает смолы растений (смола таллового масла, смола соснового дегтя, талловые канифоли, канифольные кислоты, сосновые канифоли, живичные канифоли, включая химически модифицированные смолы, такие как модифицированные малеиновой и фумаровой кислотой канифоли и смолистые побочные продукты переработки таллового масла или переработки живичных канифолей) или нефти (нефтяные смолы, фенольные смолы). В частности, подходящими являются смолы, имеющие определяемую по образованию капли температуру плавления >60°F, в другом варианте осуществления >60°С, и проникновение <50 при 25°С, например, смола таллового масла или модифицированные смолы таллового масла, содержащие длинноцепные и трициклические органические кислоты и стеролы. Модификаторы на основе смол таллового масла могут также включать не являющиеся смолистыми фракции дистилляции сырого таллового масла, такие как жирные кислоты, головные погоны таллового масла, и могут также включать химически модифицированные варианты данных фракций как результат модификации малеиновой и фумаровой кислотой. Предпочтительные модификаторы реологии данного класса включают следующие, но не ограничены ими: смолу таллового масла, модифицированную малеиновой кислотой смолу таллового масла, канифольные кислоты, головные погоны таллового масла. Полимеры эластомерного (натуральный каучук, стирол-бутадиеновый каучук, полихлоропрен, искрошенный каучук из регенерированных шин и так далее) характера; асфальтовые материалы с высокой точкой размягчения (например, асфальтены, Гильсонит (Gilsonite™, торговая марка), асфальт из Асфальтового озера в Тринидаде, побочные продукты деасфальтизации нефтей, окисленные асфальты и так далее); асфальтены, такие как кубовые остатки ROSE (сверхкритическая экстракция нефтяных остатков), и другие асфальты нулевого проникновения также могут быть использованы либо сами по себе, либо в сочетании.
В широком смысле изобретение предполагает сочетание поверхностно-активных агентов с одним или более модификаторами реологии асфальта, которые могут включать полиэтиленовый воск, полипропиленовый воск, воск Фишера-Тропша, воски - производные сырой нефти, другие типы воска, полимеры, Гильсонит или модификаторы на основе таллового масла, причем ключевым признаком является то, что данные типы ингредиентов были объединены в единый продукт.
Добавки для теплой смеси по изобретению могут быть добавлены в виде единого комплекса добавок или в виде индивидуальных компонентов указанного комплекса добавок. Независимо от того, добавлены они в виде единого комплекса или в виде индивидуальных компонентов, добавки по изобретению могут быть добавлены на различных этапах получения теплой смеси. В одном варианте осуществления комплекс добавок по изобретению может быть примешан в асфальтовое связующее до того, как асфальт внесен в заполнитель в установку приготовления горячей асфальтовой смеси, он может быть добавлен к заполнителю или к части заполнителя до того, как асфальт добавлен в смеситель, или он может быть добавлен в смеситель установки приготовления горячей асфальтовой смеси после того, как асфальт был добавлен к заполнителю. Его предпочтительно добавляют в смеситель, такой как барабанный смеситель установки приготовления горячей асфальтовой смеси. Уровень дозировки комплекса добавок по массе асфальта находится в диапазоне от 0,2 до 10% по массе, предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 6% по массе и еще более предпочтительно примерно от 1 до 3% по массе в расчете на асфальтовое связующее.
Комплекс добавок по изобретению обладает следующими преимуществами над существующими в настоящее время технологиями:
(a) Он не только помогает снизить температуры получения горячей смеси и уплотнения, но также одновременно улучшает значение влагостойкости смеси. Он представляет собой добавку для теплой смеси и добавку, служащую промотором адгезии/предотвращающим отлипание агентом, составляющую единый комплекс, или же индивидуальные компоненты указанного комплекса могут быть добавлены по отдельности. Являясь добавкой для теплой смеси, он снижает вязкость и улучшает реологические свойства асфальта наряду с его кроющей способностью в отношении поверхностей заполнителя и тем самым понижает значение температуры, требуемое для уплотнения асфальтовой смеси, делая ее на 15-60°F ниже по сравнению с асфальтовой смесью без данного комплекса добавок. Являясь модификатором адгезии и когезии, он улучшает влагостойкость смесей, как демонстрируется испытанием для определения отношения предела прочности и гамбургским испытанием на колееобразование.
(b) В отличие от других добавок для теплой смеси, имеющих в своей основе воски, такие как воски Фишера-Тропша, он ухудшает свои характеристики при охрупчивании асфальтового связующего и последующего низкотемпературного усталостного растрескивания, как демонстрируется испытанием на изгиб с использованием реометра.
(c) Благодаря температуре плавления и физическим характеристикам комплекса добавок по изобретению он может быть получен в физической форме, такой как порошкообразное, имеющее вид таблеток или чешуек свободнотекучее твердое или жидкое вещество, которое может быть смешано с асфальтовым связующим непосредственно перед производством горячей смеси или добавлено в барабанную сушилку на различных этапах в ходе производства горячей смеси, как описано выше.
Далее изобретение будет проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.
Испытание на уплотнение или загущение
Испытание на загущение проводили на асфальте PG76-22 и гранитном заполнителе в асфальтовой смеси, для которой градация заполнителя и содержания асфальта представлены в таблице 1.
Таблица 1
Целевая градация и содержание асфальта
Размера сита
% прохождения
JMF
фактически
19,0
100,0
99,0
12,5
90,00
87,9
9,5
83,00
79,9
4,75
52,00
49,6
2,36
34,00
32,2
1,18
25,00
23,6
0,6
19,00
18,6
0,3
13,00
14,7
0,15
5,00
5,3
0,075
2,90
2,9
% асфальта
5,3
5,1
Загущение проводили, используя каток вибрационного типа, в течение периода 30 секунд, как описано в докладе NCAT (Национальный центр испытания асфальта), датированном июнем 2005, и измеряли % воздушных пор. Использовали три различных температуры уплотнения и в каждом случае смесь заполнителя со связующим получали при температуре на 35°F выше соответствующих температур уплотнения. Три отдельные смеси оценивали при каждой из трех температур уплотнения:
(a) Композиция теплой смеси AN 003 при 2% на РМА-связующее PG 76-22.
(b) Композиция теплой смеси AN 004 при 2% на РМА-связующее PG 76-22.
(c) В качестве контроля связующее РМА 76-22 без какой-либо добавки для теплой смеси.
Результаты представлены в таблице 2.
"AN 003" представляет собой смесь, иллюстрирующую изобретение, и она включает
Toprez LM (смола - производное таллового масла от Chusei) - 10%
Жирный пропилендиамин животного происхождения (N-tallow propylene diamine) 37,5%
Воск Фишера-Тропша 21,5%
Полиэтиленовый воск (от Chusei) 31,0%
"AN 004" представляет собой смесь, иллюстрирующую изобретение, и она включает
Toprez LM (смола - производное таллового масла от Chusei) - 20%
Жирный пропилендиамин животного происхождения N-tallow propylene diamine) 37,5%
Полиэтиленовый воск (от Chusei) 42,5%
Результаты ясно показывают, что % воздушных пор значительно меньше в случае AN 003 и AN 004 при 300°F, 270°F и 240°F по сравнению с контролем, а также что % воздушных пор ниже при 270°F по сравнению с контролем при 300°F. В случае AN 004 результирующий % воздушных пор при 240°F схож с контролем при 300°F. Результаты указывают на то, что уплотнение может быть проведено при температуре на 30-60°F ниже, и тем не менее при этом получают % воздушных пор, меньший или равный % воздушных пор, получаемому при уплотнении немодифицированного асфальта при 300°F, тем самым демонстрируя заявленный эффект теплой смеси.
Испытания на чувствительность к действию влаги
Вызываемое влагой повреждение в асфальтовых смесях может быть оценено либо с помощью гамбургского испытания на колееобразование, либо с помощью испытания для определения отношения предела прочности согласно методике ASTM D 4867, которое также обычно известно как модифицированное испытание Lottman и Root Tunniclif.
Испытания по определению отношения предела прочности ASTM D 4867: Имеется два набора уплотненных образцов. Кондиционированные образцы подвергают воздействию воды с помощью различных процедур, чтобы симулировать вызываемое влагой повреждение, а некондиционированные образцы выдерживают при комнатной температуре. Затем измеряют косвенный предел прочности и соотношение пределов прочности на разрыв получают делением значения прочности кондиционированных образцов на значение прочности некондиционированных образцов. Отношение, равное 0,8 или выше, обычно рассматривается приемлемым. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3
Испытания по определению отношения предела прочности
Добавка для теплой смеси
Предел прочности кондиционированных образцов, фунт/кв. дюйм
Предел прочности некондиционированных образцов, фунт/кв. дюйм
Соотношение пределов прочности
AN 003
74,7
79,4
0,94
AN 004
74,2
83,7
0,89
* Образцы для испытания TSR с добавками AN 003 и AN 004 уплотняли при 270°F.
Результаты ясно показывают, что соотношение пределов прочности выше 0,80 в случае смесей, модифицированных двумя добавками для теплых смесей (AN 003 и AN 004), что представляет собой квалификационный критерий в большинстве ведомств. При испытаниях теплых смесей известного уровня техники, проведенных NCAT, соотношение пределов прочности постоянно представляло собой проблему в случае других известных технологий получения теплых смесей и требовало добавления предотвращающего отлипание агента для уменьшения вызываемого влагой повреждения.
Гамбургское испытание на колееобразование: В данном способе испытания уплотненные образцы асфальтовых смесей подвергают воздействию повторяющихся циклов колееобразования под водой. Разрушение образца детектируется по деформации (образование колеи). Точка перегиба в отлипании представляет собой точку, в которой имеется значительное изменение в наклоне кривой образования колеи (глубина колеи изображена на диаграмме относительно числа циклов). В общем, приемлемый критерий состоит в том, что точка перегиба в отлипании должна наблюдаться после 10000 циклов. Некоторые ведомства устанавливают деформацию 12,5 мм в качестве точки разрушения. Число циклов до деформации 12,5 мм представляет собой меру эксплуатационных качеств смеси. Результаты представлены в таблице 4.
Из представленных результатов можно видеть, что точка перегиба в отлипании наблюдается после 10000 циклов в случае обеих добавок, и средняя глубина колеи составляет 5,89 мм и 4,25 мм для AN 003 и AN 004, соответственно.
Испытание асфальта на определение показателя PG
Существенно, чтобы добавки не оказывали отрицательного влияния на свойства асфальтового связующего, особенно на низкотемпературные свойства асфальта, как определяется в испытании образца на изгиб с применением реометра. Таким образом, связующее PG 76-22, модифицированное по отдельности 2% AN 003 и AN 004, подвергали стандартным испытаниям на определение показателя PG (AASHTO Т 315 и Т 313). Результаты представлены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты испытаний на определение показателя эксплуатационных качеств
Испытание
PG 76-22
PG 76-22+2%
PG 76-22+2%
AN 003
AN 004
G*/Sin d (кПа) при 76°С
1,17
1,05
1,03
RTFOT G*/Sin d (кПа)
2,49
2,27
2,25
при 76°С
BBR предел ползучести,
185
144
140
S, при -12°С
BBR, наклон m-значение
0,316
0,342
0,344
при -12°С
Начальный фазовый угол
73,8
70,20
72,0
связующего при 76°С,
градусы
Следует отметить, что низкотемпературные гибкостные свойства, измеренные по m-значению (должно быть выше 0,3) и пределу ползучести (чем ниже, тем лучше), значительно улучшены за счет добавки по сравнению с контролем РМА 76-22 без добавки.
Таким образом, данные добавки для теплых смесей могут содействовать снижению температур смеси и уплотнения примерно на 60°F, как демонстрируется испытаниями на уплотнение, и в то же время дают смесь, устойчивую к вызываемому водой повреждению, как демонстрируется TSR и гамбургским испытанием на колееобразование. В отличие от других восковых модификаторов данные добавки для теплых смесей не оказывают отрицательного воздействия на низкотемпературные свойства асфальта, как демонстрируется испытанием на PG-показатель с определением m-значения и предела ползучести.