СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С УЛУЧШЕННЫМИ ВЯЗКОУПРУГИМИ И АДГЕЗИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
A METHOD FOR PRODUCING A BITUMEN BINDER WITH IMPROVED VISCOELASTIC AND ADHESIVE CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области нефтепереработки, конкретно к способу получение битумного вяжущего с улучшенными эксплуатационными свойствами. Изобретение может быть использовано на нефтеперерабатывающих предприятиях, а также при выполнении строительных и дорожных работ.
Технический битум представляет собой остаточный продукт переработки нефти и характеризуется большим содержанием серы и высоким значением вязкости, что приводит к ограниченности его применения в отраслях народного хозяйства. Основной областью использования технического битума является строительная и дорожная промышленность, где он применяется для создания влагоотталкивающих покрытий, а также в качестве битумного вяжущего для получения дорожного полотна. Для битумных вяжущих одними из главных показателей являются низкая вязкость расплава, хорошая адгезия к наполнителю, высокая когезионная прочность и определенный комплекс вязкоупругих свойств.
Для улучшения свойств битумных вяжущих могут быть использованы различные модификаторы и наполнители, вводимые в битум для снижения его скорости старения, уменьшения склонности к колееобразованию, растрескиванию и усадке, улучшения адгезионных, прочностных и вязкоупругих характеристик.
Известен способ получения битумного вяжущего (RU №2496812, МПК C08L 95/00, опубл. 27.10.2013), которое содержит битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла, наномодифицированного одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц, и полимера. В качестве полимерного компонента используют термоэластопласт - ДСТ-30Р-01. Соотношение компонентов следующее, мас. %: ДСТ-30Р-01 - 1.1-3.4; индустриальное масло - 2.2-9.4; ОУНТ - 0.001-0.03; битум - остальное. Способ получения вяжущего включает введение при перемешивании в битум полимерного компонента. Причем до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента путем смешивания ОУНТ с маслом индустриальным при температуре 100-120°С и последующим введением полимера, после чего полученную смесь при перемешивании вводят в битум при 120-160°С. Результатом является получение высокооднородного битумного вяжущего, обладающего высокими физико-механическими свойствами с одновременным сокращением расхода полимера и индустриального масла.
Недостатком способа является быстрое старение битума вследствие его совмещения с индустриальным маслом, применение дорогостоящих добавок и невысокая прочность адгезионных соединений, формируемых вяжущим.
Известен способ получения битумного вяжущего (ЕР №0458386, кл. C08L 95/00, 1972), включающий смешение 85-98 мас. % битума с 15-2 мас. % разветвленного или линейного стирольного блок-сополимера при 200-250°С в течение 15-40 минут. Полученные смеси характеризуются высокой прочностью и эластичностью. Недостатком способа является неполное совмещение битума с модификатором, в результате чего структура вяжущего негомогенна и может привести к появлению трещин на дорожных покрытиях.
Известен способ получения битумного вяжущего (см. RU 2754709, кл. МПК C10G 21/14, опубл. 06.09.2021), которое содержит битум, полимер класса термоэластопластов - блок-сополимер бутадиена и стирола (СБС) в количестве 3.15-3.5 мас. %, пластификатор, в качестве которого используют Унипласт, в количестве 1.5 мас. % и тонкодисперсную добавку, в качестве которой используют шунгит, в количестве 3-5 мас. %, где битум - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение гомогенности структуры вяжущего, улучшение его адгезии к минеральным материалам, когезии, повышение температуры размягчения, растяжимости при 25 и 0°С и эластичности, что в конечном итоге улучшает физико-механические свойства полимерасфальтобетона такие, как прочность на сжатие при 20 и 50°С, сцепление при сдвиге, трещиностойкость при низких температурах.
Недостатком способа является недостаточно высокая прочность адгезионных соединений вяжущего и его склонность к необратимым деформациям при повышенных температурах.
Известен способ получения битумного вяжущего для дорожного покрытия (см. RU 2038360, кл. C08L 95/00, опубл. 27.06.1995), который заключается в добавлении к битуму масла и модификатора, в качестве которых выступают индустриальное масло и блоксополимер алкадиена и стирола типа САС, причем смешивание модификатора с маслом осуществляют при 80-160°С и далее добавляют полученную смесь к битуму и перемешивают при следующем соотношении компонентов (мас. %):
индустриальное масло
1.9-33.3;
указанный блоксополимер
0.1 - 22.3;
битум
44.4-98.0.
Вяжущее существенно отличается в лучшую сторону от известных вяжущих по теплостойкости, эластичности и трещиностойкости и соответствует по всем параметрам требованиям, предъявляемым к вяжущим. Срок службы покрытий, полученных с применением такого вяжущего, увеличивается в 1.5-2 раза.
По совокупности признаков и конечному техническому результату известный способ может быть принят как наиболее близкий аналог - прототип.
Недостатком прототипа является недостаточно высокие адгезионные и когезионные характеристики вяжущего, а также его склонность к необратимым деформациям (ползучести) при обычных и повышенных температурах.
Задачей данного изобретения является получение битумного вяжущего, проявляющего высокие значения адгезионной и когезионной прочности, а также имеющего высокие вязкоупругие характеристики, заключающиеся в низкой склонности к необратимым деформациям при обычных и повышенных температурах. Способность вяжущего к обратимым и необратимым деформациям определяется значением его фактора потерь. Чем ниже величина фактора потерь, тем менее битумное вяжущее склонно к необратимым деформациям и тем, соответственно, лучше держит форму при воздействии статических или низкочастотных динамических нагрузок. Дорожное полотно из асфальтовой смеси, полученной на основе вяжущего с высокими вязкоупругими характеристиками, менее склонно к колееобразованию в результате воздействия низкоскоростного тяжелонагруженного дорожного трафика, и, следовательно, требует менее частой замены или ремонта, что является экономически выгодным.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения битумного вяжущего, заключающийся в нагревании битума, добавлении к нему масла и модификатора и перемешивании полученной смеси, в котором в качестве масла применяют бионефть, полученную путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующуюся плотностью 1.12-1.21 г/мл и содержанием воды 20-45%, и нагретую до температуры 180°С, в качестве модификатора используют или гидрофобизированный диоксид кремния или органомодифицированный монтмориллонит и после перемешивания смесь выдерживают в нагретом состоянии в течение 30-60 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %:
указанная бионефть
5-10;
гидрофобизированный диоксид кремния
или органомодифицированный монтмориллонит
5-30;
битум
остальное.
Бионефть, используемая по изобретению, может быть дополнительно охарактеризована содержанием в ее составе следующих соединений:
- водорастворимых (44%),
- гексанрастворимых (15.4%),
- метиленхлоридрастворимых (3.9%)
и эфирорастворимых (9.3%)
при содержании углерода (51.25% мас.) и водорода (6.49% мас).
Также используемая по изобретению бионефть отвечает следующим характеристикам:
- наименьшая ньютоновская вязкость (0.19 Па⋅с при 20°С),
- предел текучести (2.5 Па при 20°С),
- энергия активации вязкого течения (86.7 кДж/моль),
- температура плавления (-19°С),
- температура стеклования (-69°С).
Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, состоит в более высоких вязкоупругих характеристиках битумного вяжущего при обычных и повышенных температурах, его более высокой когезионной прочности, а также более высокой прочности клеевых соединений, формируемых битумным вяжущим.
Бионефть, полученная путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующаяся плотностью 1.12-1.21 г/мл и со/держанием воды 20-45%, выступает в качестве масла для модификации адгезионных, когезионных и вязкоупругих свойств битумного вяжущего. Во-первых, бионефть содержит поверхностно-активные соединения, которые могут адсорбироваться на межфазной границе между модифицированным по изобретению битумом и склеиваемой поверхностью и тем самым улучшать адгезию между ними. Во-вторых, бионефть содержит реакционноспособные вещества, которые растворяются в битуме при его смешении с бионефтью и затем полимеризуются в его среде в результате выдержки смеси в нагретом состоянии. Полимеризация составляющих бионефти повышает вязкоупругие характеристики битума, делая его менее склонным к обратимым деформациям при обычной (20°С) и повышенной (60°С) температурах, а также улучшает его когезионную прочность.
Применение бионефти для модификации свойств битумного вяжущего является неочевидным, как и механизм, лежащий в основе улучшения свойств. Кроме того, в состав битумного вяжущего дополнительно вводят наночастицы или гидрофобизированного диоксида кремния или органомодифицированного монтмориллонита, которые усиливают положительное влияние бионефти на эксплуатационные свойства битумного вяжущего, приводя к еще большему росту его вязкоупругости и когезионной прочности.
-1
Нижеперечисленные примеры иллюстрируют техническое решение. В них когезионную прочность определяют при растяжении образцов битумного вяжущего в виде лопаток с длиной 2.5 см, шириной в узкой части 4 мм и толщиной 0.4-0.9 мм со скоростью 3.8 см/мин. Прочность адгезионной связи определяют в условиях сдвига двух стальных пластин, склеенных внахлест битумным вяжущим при 180°С (размеры склеек 10 мм × 5 мм × 0.25 мм). Фактор потерь определяют при угловой частоте 10 с и температуре 20°С или 60°С на ротационном реометре Discovery ITR-2 (ТА Instruments, США) при амплитуде относительной деформации 0.1%.
Пример 1
К 90 г битума нагретого до 180°С добавляют 5 г бионефти, полученной путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующейся плотностью 1.12 г/мл и содержанием воды 45%, и 5 г гидрофобизированного диоксида кремния (ГДК), смесь перемешивают, выдерживают в нагретом состоянии в течение 30 мин и затем охлаждают с получением готового битумного вяжущего.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 2
Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 1, но используют 5 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.17 г/мл и содержанием воды 35%, и 10 г гидрофобизированного диоксида кремния, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 60 мин.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 3
Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 1, но используют 5 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.21 г/мл и содержанием воды 20%, и 15 г гидрофобизированного диоксида кремния, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 45 мин.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 4
К 80 г битума нагретого до 180°С добавляют 10 г бионефти, полученной путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующейся плотностью 1.17 г/мл и содержанием воды 35%, и 10 г органомодифицированного монтмориллонита (ОММТ), смесь перемешивают, выдерживают в нагретом состоянии в течение 30 мин и затем охлаждают с получением готового битумного вяжущего.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 5
Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 4, но используют 10 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.21 г/мл и содержанием воды 20%, и 20 г органомодифицированного монтмориллонита, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 60 мин.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 6
Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 4, но используют 10 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.12 г/мл и содержанием воды 45%, и 30 г органомодифицированного монтмориллонита, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 45 мин.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Пример 7 (сравнительный но прототипу)
33.3 г масла индустриального подают в обезвоженный нефтяной дорожный битум, взятый в количестве 44.4 г, нагретый до 160°С, и перемешивают до однородного состояния смеси. Затем в эту смесь вводят небольшими порциями 22.3 г блоксополимера бутадиена и стирола в виде крошки размером от 2 до 5 мм, и перемешивают смесь до однородности.
Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.
Таким образом, предлагаемый по изобретению способ позволяет:
- повысить прочность адгезионной связи битумного вяжущего почти в 7 раз (Пример 3) по сравнению с примером №7 по прототипу;
- повысить когезионную прочность битумного вяжущего в 4 раза (Пример 6) по сравнению с примером №7 по прототипу;
- снизить фактор потерь на 56% при 20°С (Пример 6) по сравнению с примером №7 по прототипу;
- снизить фактор потерь на 49% при 60°С (Пример 5) по сравнению с примером №7 по прототипу.