Полимерно-битумная композиция и способ ее получения
POLYMER-BITUMEN COMPOSITION AND METHOD OF PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном строительстве в качестве вяжущего для асфальтобетонных смесей на основе нефтяных битумов при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий дорог, аэродромов и мостов, и способам их получения.
Выпускаемые нефтеперерабатывающими заводами вязкие дорожные битумы, используемые при приготовлении асфальтобетонных смесей для строительства и ремонта автодорог, не обладают свойствами эластичности, не обеспечивают смесям необходимые прочностные показатели, особенно при повышенных и пониженных температурах, плохими адгезионными свойствами к минеральным материалам, вследствие чего снижаются водостойкость, трещиностойкость покрытий и их сопротивление к воздействию динамических нагрузок, проявляется возможность колееобразования.
Известно полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), содержащее битум, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, содержащее тяжелые жирные кислоты представляющее собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти, в следующем соотношении компонентов, мас. %:
нефтяной дорожный битум - 86-89;
полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт - 2,5-5;
индустриальное масло - 5,5-7,5;
ПАВ (тяжелые жирные кислоты (ТЖК)) - 1-3
(патент RU (11) 2297990 (13) C1 МПК C04B26/26, C08L95/00).
Недостатком данной композиции является низкая температура размягчения, что в свою очередь обеспечивает низкую теплостойкость дорожных покрытий. Наличие индустриального масла в составе ПБВ приводит к интенсификации процесса окислительной деструкции термоэластопласта, в результате которой он в процессе эксплуатации теряет  упруго-эластические свойства, что приводит к разрушению покрытий при динамических нагрузках. Индустриальное масло в составе ПБВ увеличивает его пластичность и текучесть, но снижает температуру размягчения, что на практике приводит к образованию колеи на асфальтобетонном покрытии. Необходимость использования индустриального масла в процессе получения  полимерно-битумной композиции обусловлено существенным снижением пенетрации ПБВ при модификации его термоэластопластом. Использование индустриального масла для улучшения растворения термоэластопласта в среде битума оказывает негативное влияние на адгезию  получаемого ПБВ к минеральным наполнителям.
Известен способ получения битумного вяжущего (патент RU № 2038360, кл. C 08 L 95/00, опубл. 1995 г.), который включает смешение алкадиенстирольного термоэластопласта при 80-160°C с маслом индустриальным, после чего полученную смесь вводят при 110-160°C в битум. Недостатком известного способа получения битумно-полимерной композиции является нарастание термоокислительной деструкции блоксополимера при перемешивании исходных компонентов, что приводит к увеличению расхода полимера для достижения высоких эксплуатационных характеристик готового продукта. Применение дорогостоящего индустриального масла значительно удорожает конечный продукт, требует организации дополнительной линии для его смешения с полимером, а также увеличивает энергоемкость процесса.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемой группе изобретений являются полимерно-битумная композиция и способ ее получения (патент РФ №2258721, МПК C08L 95/00, C09D 195/00, опубл. 20.08.2005), содержащая битум, бутадиенстирольный термоэластопласт, пластификатор и антиоксидант, при получении которой исходное количество битума делится на две части, первую часть 10-60% от исходного количества предварительно нагретого битума с температурой не ниже 90°C смешивают с пластификатором с использованием высокооборотной мешалки в течение 10-30 минут, полученную смесь догревают до 110°C и вводят бутадиенстирольный термоэластопласт и антиоксидант с последующей обработкой на оборудовании с высоким напряжением сдвига при одновременном нагревании до 140-165°C, полученную полимерно-битумную смесь вводят во вторую часть 40-90% от исходного количества битума и диспергируют до получения однородной массы.
Данная полимерно-битумная композиция обладает низкими значениями пенетрации (глубины проникновения иглы в вяжущее ) при 25 и 0°C, что не обеспечивает достаточную морозо- и трещиностойкость асфальтобетона на его основе, низкими значениями температуры размягчения и интервала пластичности вблизи нижнего предела интервала содержания термоэластопласта, что в свою очередь обеспечивает низкую теплостойкость дорожных покрытий и сопротивляемость динамическим нагрузкам. Индустриальное масло имеет невысокое сродство к термоэластопласту, вследствие чего его использование для улучшения растворимости термоэластопласта в среде битума оказывает негативное влияние на когезионную прочность получаемого ПБВ, на его адгезию к минеральным наполнителям, устойчивость к расслоению композиции. Для обеспечения качественных показателей продукта: температуры размягчения и повышения интервала пластичности требуется увеличенный расход дорогостоящего термоэластопласта, приводящий к существенному снижению пенетрации композиции, что вызывает необходимость использования дорогостоящего пластификатора - индустриального масла. К недостаткам способа получения данной композиции также следует отнести сложность и многостадийность технологического процесса и необходимость использования коллоидных мельниц, обладающих существенно меньшей надежностью в технологической цепи, что вызывает необоснованные простои оборудования и снижение производительности в целом.
Заявляемое изобретение в части полимерно-битумного вяжущего материала решает следующие технические задачи: повышение температуры размягчения и интервала пластичности композиции при меньшем содержании дорогостоящих термоэластопластов, снижение склонности к расслоению, повышение адгезии к минеральным наполнителям и когезионной прочности.
Технический результат достигается за счет того, что битумно-полимерная композиция, содержащая битум и бутадиен-стирольный термоэластопласт типа СБС (линейный ДСТ Л 30-01), дополнительно содержит термопласт - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) и структурирующую суспензию, в качестве которой используется дизельное топливо, наномодифицированное углеродными нанотрубками (УНТ), при следующем соотношении компонентов, мас. %:
бутадиен -стирольный термоэластопласт 1-3;
полиэтилен низкой плотности 1-3;
дизельное топливо 0,02-0,6;
углеродные нанотрубки 0.0002-0,004;
нефтяной дорожный битум - остальное.
Заявляемый состав полимерно-битумной композиции при указанном соотношении компонентов обеспечивает получение дорожного вяжущего, характеризующегося высокими показателями температуры размягчения, интервала пластичности композиции, когезионной прочности, эластичности и адгезии к минеральным наполнителям. Достижение заявленных показателей осуществляется путем создания в композиции наноармированной гетерогенной полимерной матрицы бутадиен-стирольного термоэластопласта и термопласта - полиэтилена низкой плотности, обеспечивающей высокие физико-механические свойства при меньшем содержании дорогостоящего термоэластопласта. Сочетание в полимерной матрице звеньев термоэластопласта и термопласта позволяет при сохранении высокой эластичности композиции увеличить когезионную прочность и адгезию к минеральным наполнителям.
При выходе содержания распределенных в битуме компонентов за указанный выше интервал значений достижение заявленного результата не происходит. При увеличении содержания термоэластопласта и термопласта возрастает вязкость композиции и происходит уменьшение пенетрации ниже пределов допустимых значений по ГОСТ Р 52056-2003; уменьшение содержания термоэластопласта и термопласта приводит к снижению эластичности, температуры размягчения и хрупкости, интервала пластичности и когезионной прочности. При увеличении содержания УНТ возрастает вязкость композиции, что приводит к сокращению интервала пластичности и снижению пенетрации при 0°С, что отрицательно сказывается на деформативности и трещиностойкости асфальтобетона; уменьшение содержания УНТ в композиции приводит к уменьшению адгезии композиции к минеральным наполнителям и когезионной прочности.
В таблице 1 представлены составы образцов приготовленных композиций.
Таблица 1 Состав полимерно-битумных композиций
№/№ образцов
Состав, масс. %
ТермоэластопластДСТ-30-01
Полиэтилен низкой плотности
Дизельное топливо
Углеродные нанотрубки
БитумБНД 90/130
1
1
3
0,02
0.0002
95,9798
2
1
3
0,6
0,004
95,396
3
3
1
0,02
0.0002
95,9798
4
3
1
0,6
0,004
95,396
В таблице 2 представлены физико-механические характеристики образцов приготовленных композиций. Битумно-полимерные вяжущие испытывали в соответствии с ГОСТ Р 52056-2003. Показатели адгезии к минеральным наполнителям асфальтобетона определялись по ГОСТ 11508-74. Для всех образцов наблюдается высокая устойчивость к расслоению композиции, а также получены показатели сцепления с мрамором - 5 баллов и с песком - 4 балла.
Таблица 2 Физико-механические характеристики образцов вяжущих
№ образца
Наименование характеристики
Глубина проникновения иглы, 0,1 мм
Температура, °С
Эластичность, %
Дуктильность (растяжимость), см
Интервал пластич-ности, °С
Когезионная проч-ность, кг/см<sup>2</sup>
при 25°С
при 0°С
размягчения по кольцу и шару
хрупкости
при 25°С
при 0°С
при 25°С
при 0°С
1
75
43
71
-28
87
76
72
26
99
12
2
70
35
69
-25
83
74
67
23
94
13
3
76
46
72
-30
92
78
79
34
102
10
4
66
32
68
-24
90
74
76
31
92
12
Прототип
нет данных
нет данных
60-84
-24 - -39
нет данных
76-88
нет данных
нет данных
78-154
нет данных
ГОСТ Р 52056-2003
60
32
54
-20
80
70
-
-
74
-
Как видно из Таблицы 2, предлагаемая полимерно-битумная композиция превосходит прототип по пенетрации (глубине проникновения иглы), температуре размягчения, температуре хрупкости, эластичности, дуктильности (растяжимости), интервалу пластичности, когезионной прочности для всего интервала состава вяжущего; при этом достигаются высокие показатели адгезии к минеральным наполнителям асфальтобетона и обеспечивается более высокая устойчивость к расслоению композиции за счет наличия наноармированной гетерогенной полимерной матрицы бутадиен-стирольного термоэластопласта и термопласта ПЭНП.
В части способа получения битумно-полимерной композиции техническая задача состоит в сокращении расхода дорогостоящего термоэластопласта, времени приготовления дорожного вяжущего и обеспечения реализации технологического процесса в простых и надежных смесительных аппаратах вертикального типа.
Техническим результатом в части способа получения битумно-полимерной композиции является разработка последовательности технологических операций, обеспечивающих равномерное распределение компонентов в битуме и создание наноармированной гетерогенной полимерной матрицы при объединении со структурирующей суспензией, предварительно полученной диспергированием УНТ в дизельном топливе с помощью ультразвуковых колебаний. Заявленный способ позволяет получить битумно-полимерную композицию, обладающую высокими показателями пенетрации, дуктильности (растяжимости), температуры размягчения, интервала пластичности композиции, когезионной прочности, эластичности и адгезии к минеральным наполнителям.
Заявленный способ позволяет сократить расход дорогостоящего термоэластопласта, время приготовления дорожного вяжущего, а также обеспечить более простую реализацию технологического процесса за счет использования более простых и надежных смесительных аппаратов вертикального типа.
c
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения битумно-полимерной композиции, включающем смешивание битума и термоэластопласта, предварительно получают структурирующую суспензию, для чего равномерно распределяют УНТ в дизельном топливе при комнатной температуре с использованием энергии ультразвуковых колебаний в режиме акустической кавитации при резонансных частотах в диапазоне 22±10% кГц в течение 3 мин, параллельно с этим процессом предварительно разогретый до температуры 90-100°С битум помещают в обогреваемый смеситель вертикального типа, оснащенный лопастными мешалками, вводят бутадиен-стирольный термоэластопласт и термопласт ПЭНП, смесь нагревают до 150-160°С и производят смешение в течение 30-40 мин в турбулентном режиме при значении циркуляционного критерия Рейнольдса Re >1000, затем добавляют структурирующую суспензию УНТ в дизельном топливе и производят дальнейшее смешение компонентов в течение 5-15 мин при той же температуре.  При этом циркуляционный критерий Рейнольдса определяется следующим образом:
,
d
,
m
где  - частота вращения мешалки,  - диаметр мешалки - плотность смеси,  - динамическая вязкость смеси).
Способ получения битумно-полимерной композиции осуществляют следующим образом.
Для приготовления битумно-полимерной композиции использовали битум марки БНД 90/130 ГОСТ 22245-90, бутадиен-стирольный термоэластопласт ДСТ Л 30-01, полиэтилен низкой плотности по ГОСТ 16338-85 или вторичный, представляющий собой измельченные на ножевой дробилке использованные пленочные упаковочные материалы, тару и упаковочные емкости. В качестве структурирующего агента применяли суспензию углеродного наноматериала «Таунит» производства ООО «НаноТехЦентр» (г.Тамбов), распределенного в дизельном топливе. Углеродный наноматериал «Таунит» представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита длиной более 2 мкм с наружными диаметрами от 15 до 40 нм в виде сыпучего порошка черного цвета. Гранулы углеродного наноматериала микрометрических размеров имеют структуру спутанных пучков многостенных углеродных нанотрубок.
c
c
Углеродные наноматериалы предварительно равномерно распределяют при комнатной температуре в дизельном топливе с использованием энергии ультразвуковых колебаний в режиме акустической кавитации при резонансных частотах в диапазоне 22±10% кГц в течение 3 мин для получения структурирующей суспензии. Для осуществления процесса диспергирования УНТ использовали установку, оснащенную ультразвуковым генератором мощностью 2 кВт. Параллельно с этим процессом предварительно разогретый до температуры 90-100°С битум помещают в обогреваемый смеситель вертикального типа, оснащенный лопастными мешалками, обеспечивающими при вращении интенсивные радиальные и встречные вертикальные потоки в жидком битуме, и вводят бутадиен-стирольный термоэластопласт и ПЭНП, смесь нагревают до 140-160°С и производят смешение в течение 30-40 мин в турбулентном режиме при значении критерия Рейнольдса циркуляционного Re >1000, затем добавляют структурирующую суспензию УНТ в дизельном топливе и производят дальнейшее смешение компонентов в течение 5-10 мин при той же температуре. Для получения битумно-полимерной композиции использовали лабораторные смесители объемом 3 и 5 литров, а также промышленный смеситель объемом 6 куб.м. Условие Re >1000 выполнялось при частоте вращения не 800, 450 и 90 об/мин соответственно. Суммарное время получения композиции не превышает 45 мин.
c
Введение в битум в процессе получения битумно-полимерной композиции полиэтилена низкой плотности одновременно с бутадиен-стирольным термоэластопластом при смешении в турбулентном режиме при значении циркуляционного критерия Рейнольдса Re >1000, с последующим введением структурирующей суспензии предварительно диспергированного в дизельном топливе с применением ультразвукового воздействия углеродного наноматериала и дополнительным перемешиванием позволяет достичь равномерного распределения компонентов битумно-полимерной композиции и получение наноармированной гетерогенной полимерной матрицы с высокими физико-механическими характеристиками за более короткое время при использовании более простого и надежного оборудования, в отличие от прототипа, при реализации технологического процесса в котором требуется использование коллоидных мельниц, характеризующихся высокой стоимостью и низкой надежностью.