БИТУМНО-ПОЛИМЕРНАЯ МАСТИКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BITUMEN-POLYMER MASTIC COMPOUND AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области производства битумно-полимерных строительных и гидроизоляционных материалов, используемых для гидроизоляционной защиты бетонных, кирпичных, надземных и подземных сооружений, а также может использоваться в гражданском, аэродромном и дорожном строительстве для заливки швов и трещин, дорожных покрытий и конструкций.
7
Известна битумно-полимерная мастика [RU №2192578, МПК F16L 58/12, 2002 г.], включающая совокупность дорожных и строительных битумов, полимер, индустриальное масло в качестве пластификатора и каучук в качестве модификатора. В состав мастики дополнительно могут быть введены катионно-активные добавки.
Однако данная мастика включает в свой состав высокое содержание дорогостоящих компонентов, к числу которых относятся: полимер, каучук и катионно-активные добавки, которые дополнительно могут содержаться в мастике. Это способствует значительному удорожанию готовой продукции.
7
Известен способ получения битумно-полимерной мастики [RU №2016019, МПК C08L 95/00, С08К 3/24, 1994 г.], включающий подачу в смеситель битума, его нагрев и введение в него при постоянном перемешивании тонкодисперсного наполнителя и полимерной добавки - термоэластопласта. Способ получения мастики заключается в поэтапном введении ингредиентов и перемешивании.
Недостатком известного способа является усложнение технологии приготовления мастики за счет включения в нее большого количества дополнительных операций, в соответствии с заявленным в аналоге решением процесс приготовления состоит из следующих этапов: подача в турбосмеситель битума, введение в него при постоянном перемешивании части полимерной добавки и тонкодисперсного наполнителя, их перемешивание; затем введение в полученную смесь остатка полимерной добавки и перемешивание в течение 40-60 мин, с последующим введением остатка наполнителя и окончательным перемешиванием. Многократный процесс дозирования компонентов значительно увеличивает погрешность содержания используемых компонентов: полимерной добавки и тонкодисперсного наполнителя.
7
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является битумно-резиновая мастика [RU №2426754, МПК C08L 95/00, 2011 г.], включающая: дорожный битум БНД 60/90, резиновую крошку и пластифицирующую добавку из строительной извести и минерального порошка, полимер из резинового термоэластопласта РТЭП при следующем соотношении компонентов, мас:
Битум БНД 60/90
68-78
Резиновая крошка
9-13
Полимер
5-7
Строительная известь : минеральный порошок 3:7
8-12
Способ приготовления заключается в том, что резиновый термоэластопласт РТЭП вносился в лабораторный смеситель совместно с резиновой крошкой в разогретый до 170°С битум. Полученная смесь перемешивалась в течение 1 часа. Далее вводился минеральный наполнитель, состоящий из строительной извести и минерального порошка, после чего приготавливаемая мастика перемешивалась дополнительно еще 20 минут.
Недостатком прототипа в части вещества является то, что в составе используют известь, которая при хранении может комковаться и агрегировать, что вызывает трудности в ее введении и равномерном перемешивании. Также известь склонна к гидратации, что усложняет ее подачу в битумный котел. Использование в составе пластифицирующей добавки извести, за счет продолжающихся процессов гидратации, сопровождающихся процессами кристаллизации, приводит к значительному уменьшению растяжимости и эластичности. Рассматриваемый прототип предлагается использовать в качестве мастики для ремонта дорожных и аэродромных покрытий, для заливки швов и трещин строительных конструкций и дорожных одежд, однако заявленные показатели являются недостаточными для эффективной и долгосрочной работы мастики в данных конструктивах.
Недостатком в части способа приготовления является сокращение времени приготовления мастики максимально до двух часов при температурах не выше 170°С. За это время при указанной температуре невозможно достичь полного растворения и распределения РТЭП в объеме вяжущего. Кроме того, в составе РТЭП в качестве наполнителей содержатся тонкодисперсные частицы карбоната кальция и серы. Совокупность рецептурных и технологических факторов не позволяют получить мастику с комплексными высокими показателями теплостойкости, растяжимости и эластичности.
Задачей заявляемого изобретения является получение эффективной мастики с высокими показателями эксплуатационной надежности, которые обеспечивают эффективную долгосрочную работу конструктива при использовании предлагаемой полимерно-битумной мастики.
Поставленная задача решается путем достижения следующих технических результатов: повышение теплостойкости композиции, растяжимости и ее эластичности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что битумно-полимерная мастика включает в свой состав дорожный битум, в качестве полимера содержит дивинил стирольный термоэластопласт (ТЭП), в качестве пластификатора - индустриальное масло, резиновую крошку, в качестве минерального наполнителя - дисперсный шунгит и наномодификатор, в качестве которого использовали одностенные (ОУНТ) или многостенные (МУНТ) углеродные нанотрубки, при следующем соотношении компонентов, мас. %,
Наномодификатор
1·10<sup>-3</sup>-6·10<sup>-3</sup>
Индустриальное масло
2-9,4
Дивинилстирольный ТЭП
2,5-3,5
Резиновая крошка
3-5
Минеральный наполнитель шунгит
7
Битум
остальное
Способ приготовления битумно-полимерной мастики включает нагрев битума до 160°С, введение в него при постоянном перемешивании полимера и резиновой крошки до полного растворения полимера, последующее смешение с минеральным наполнителем до однородного состояния мастики. Дополнительно во время нагрева битума модифицируют пластификатор, путем введения в него наномодификатора и ультразвукового диспергирования полученного раствора, после чего наномодифицированный пластификатор вводят в разогретый битум совместно с полимером и резиновой крошкой.
Пример. Для приготовления полимерно-битумной мастики используют битум БНД 60/90, полимер дивинилстирольный ТЭП ДСТ-30Р-01, пластификатор индустриальное масло И-40, резиновую крошку, наполнитель - дисперсный шунгит, наномодификатор ОУНТ или МУНТ. Ряд возможных составов мастик представлен в таблице 1
Приготовление полимерно-битумных мастик осуществлялось следующим способом: в разогретый до 160°С битум, при постоянном перемешивании, совместно вводились предварительно приготовленный наномодифицированный пластификатор, состоящий из пластификатора и углеродных нанообъектов, дивинил-стирольный термоэластопласт и резиновая крошка, процентное соотношение компонентов представлено в таблице 1. Приготовление наномодифицированного пластификатора осуществлялось следующим способом: в предварительно нагретый до 90-100°С пластификатор вводились ОУНТ (МУНТ), затем производилось диспергирование в течение 7-15 минут в ультразвуковом диспергаторе. Полученная смесь перемешивалась в лопастной мешалке IKA V6000 в течение 1 часа. Затем вводился минеральный наполнитель шунгит, после чего приготавливаемая мастика перемешивалась еще 40 минут. Полученные образцы мастики испытывали на физико-механические показатели, результаты испытания которых представлены в таблице 2.
-3
Предлагаемое нами техническое решение позволило получить мастику с высокими физико-механическими показателями. По сравнению с прототипом полученные образцы полимерно-битумной мастики обладают повышенными свойствами: теплостойкостью, растяжимостью и эластичностью. Наличие пластификатора в битумно-полимерной мастике необходимо как среда, в которой распределяется наномодификатор при помощи ультразвукового диспергирования. Полученный наномодифицированный пластификатор вводится при постоянном перемешивании в разогретый битум, затем добавляется резиновая крошка и полимер. Количество наномодифицированного пластификатора зависит от вязкости исходного битума, а также свойств, которыми должен характеризоваться готовый продукт. При содержании пластификатора менее 2% достичь равномерного распределения минимального количества (1·10) углеродных нанотрубок не представляется возможным. С увеличением вязкости битума и содержания нанотрубок необходимо увеличение пластификатора в композиции.
После введения указанных компонентов происходит комплексное армирование мастики резиновой крошкой, полимером и нанокомпонентом (ОУНТ или МУНТ). При содержании наномодификатора в указанном интервале происходит сближение частиц в битумно-полимерно-резиновой матрице. В этом случае приповерхностные структурирующие слои, образующиеся вокруг нанообъектов, имеющих высочайшую удельную поверхность, начинают соприкасаться с последующим сближением в общую для всех частиц, упрочненную за счет армирования, битумно-полимерно-резиновую матрицу. При этом композиция становится более прочной, но в отличие от классического армирования сохраняет свою пластичность. За счет этого получаемое вяжущее становится более эластичным с повышенными когезионными и адгезионными показателями.
В заявляемой полимерно-битумной мастике, за счет модификации углеродными нанотрубками, содержание полимера в композиции снижается, с одновременным повышением температуры размягчения, растяжимости, эластичности и когезии. Так для получения теплостойкой мастики полимер вводится в среднем в количестве 5-12%, в соответствии с заявляемым техническим решением содержание полимера в композиции варьируется от 2,5 до 4%. При этом достижение высоких показателей качества мастики возможно при использовании как одностенных (ОУНТ), так и многостенных (МУНТ) углеродных трубок. Однако для достижения равнозначного эффекта содержание МУНТ в композиции должно быть увеличено. В соответствии с таблицей концентрация таких трубок должна в 2 раза превышать содержание ОУНТ при увеличении содержания полимера, чтобы достичь температуры хрупкости мастики -27°С и температуры размягчения 60-90°С. Наличие нанообъектов в составе мастик увеличивает адгезионные и когезионные характеристики композиционного материала.
Резиновая крошка, которая выполняет функцию наполнителя, повышает температуру размягчения системы. Введение резиновой крошки в состав мастики снижает расход дорогостоящих полимерных компонентов, позволяет удешевить модификацию вяжущего, тем самым приводит к значительной экономии. В процессе перемешивания резиновой крошки с битумным вяжущим, в присутствии наномодифицированного пластификатора, происходит частичный распад набухшей резиновой крошки с образованием вязкой пастообразной массы. В соответствии с требованиями к готовой продукции по теплостойкости содержание резиновой крошки может доходить до 5%. Дальнейшее увеличение содержания резиновой крошки создает трудности при приготовлении мастики, так как усложняется процесс ее перемешивания и получения однородной системы.
При последующем введении в эту систему минерального наполнителя центром структурирования становятся частички шунгита, содержащие в своем составе смесь разнообразных углеродных аллотропов, решетки которых соединены аморфным углеродом. Эти особенности строения позволяют при наполнении битумно-полимерно-резиновой композиции минеральным наполнителем сохранить высокую гибкость при отрицательных температурах, эластичность при 0°С, когезионную прочность, а также высокую адгезию к поверхности каменного материала. В качестве наполнителя для уменьшения содержания битума и регулирования показателей свойств мастики используется дисперсный шунгит. При наполнении системы минеральным наполнителем из шунгита варьировали его содержанием. Установлено, что наиболее предпочтительно использовать дисперсный шунгит в количестве 7%, при такой концентрации достигается наилучшая гибкость композиции, дальнейшее увеличение переводит смесь в очень вязкое состояние с приобретением хрупких свойств.
Заявляемые составы мастик имеют высокие адгезионные и когезионные показатели, повышенную гибкость, теплостойкость, эластичность, и растяжимость, в том числе при температуре 0°С, что видно из таблицы 2. А также приготовление при значительно невысоких температурах до 160°С, при которых не происходит интенсификации процессов старения, использование более высоких температур приготовления ведет к интенсификации процессов старения и деструкции полимера, что в совокупности приводит к ухудшению физико-механических и эксплуатационных показателей полимерно-битумных мастик.
В части способа приготовления полимерно-битумной мастики достижение заявляемых технических результатов осуществляется за счет введения дополнительной технологической операции - ультразвуковой диспергации ОУНТ (МУНТ) в пластификаторе в течение 7-15 мин. Ультразвуковая диспергация позволяет получить конечный продукт с наноармированной полимерной матрицей. Для осуществления этой технологической операции необходимо оснастить производство ультразвуковым диспергатором.