ДОРОЖНОЕ ПОКРЫТИЕ, ОБЛАДАЮЩЕЕ СПОСОБНОСТЬЮ УМЕНЬШАТЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ, И ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ROAD COVERING, POSSESSING ABILITY TO REDUCE POLLUTION, AND PHOTO-CATALYTIC MIXTURE FOR ITS PREPARATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области уменьшающих загрязнения фотокаталитических материалов покрытий, предназначенных для использования на территориях городов и вне их.
Уровень техники
Постоянное возрастание интенсивности движения автомобилей и, в частности, тяжелого транспорта приводит к возникновению в городских центрах и на дорогах с интенсивным движением многочисленных проблем, включая увеличение выброса загрязняющих веществ.
X
X
Известно, что для преодоления этой проблемы используются продукты на основе цемента, которые содержат фотокатализатор, способный к окислению и уменьшению концентрации загрязняющих окружающую среду веществ, в частности, оксида и диоксида азота (NO), оксидов серы (SO) и несгоревших углеводородов, образующихся при дорожном движении; эти продукты на основе цемента могут применяться в различной форме, например, в виде покрытия на стенах зданий в районах поблизости от источников выбросов, в виде покрытий на потолках туннелей или же они могут составлять само дорожное покрытие. Однако полная замена асфальта дорожным покрытием из цемента не является оптимальным решением, поскольку последнее не обладает достаточной упругостью, необходимой для многих дорожных применений, и часто оказывается слишком шумным вследствие наличия стыков, которые нужны для компенсации его усадки, и т.п.
В патентной заявке ЕР 1752429 предложено придать существующему асфальтовому дорожному покрытию пористость, подходящую для того, чтобы оно могло адсорбировать достаточные количества продукта на основе цемента, обладающего фотокаталитическими свойствами. Указанная заявка описывает фотокаталитические строительные растворы для частичной импрегнации асфальтированных поверхностей. Типичным признаком таких продуктов является их способность проникать в поры на поверхности асфальта, не просачиваясь вглубь. Продукт придает асфальту хорошие фотокаталитические свойства (то есть способность адсорбировать и разлагать загрязняющие вещества), но ограниченные физико-механические свойства. Фактически, несмотря на содержание кремнеземной пыли, волокон и заполнителей, обязательно добавляемых для увеличения механической прочности композиции, данный строительный раствор обнаруживает ограниченную когезионную способность, особенно в условиях сильных дождевых осадков, и может легко вымываться из дорожного покрытия с потерей всей фотокаталитической эффективности и порчей указанного покрытия. Это также не гарантирует способности строительного раствора и асфальтовой композиции в целом выдерживать тяжелые рабочие нагрузки.
Имеются также различные известные асфальто-цементные композитные материалы (например, Densiphalt), не обладающие какой-либо фотокаталитической активностью и применяемые в качестве покрытий для пола: они представляют собой жидкие смеси асфальта и цемента, которые часто накладываются поверх существующих дорог в целях увеличения механической прочности их поверхности. Более жидкие продукты на основе цемента (жидкие строительные растворы) без какой-либо фотокаталитической активности часто применяются для укрепления зданий, грунта и т.д. В этих целях продукт на основе цемента впрыскивается внутрь подходящих полостей, создаваемых в субстрате (ЕР 434112, ЕР 967187), или в оболочки вокруг стяжек или предварительно напряженной арматуры в сборных элементах во время их установки.
До настоящего времени не существовало никаких фотокаталитических продуктов, предназначенных для применения в дорожных покрытиях, которые обеспечивали бы высокую устойчивость к поверхностному износу и характеризовались бы интенсивной и длительной фотокаталитической активностью. Более того, имеется потребность в новых дорожных покрытиях с сильной и стойкой способностью снижать количества загрязнений даже в условиях движения автомобилей с большой грузоподъемностью и воздействия неблагоприятных погодных условий.
Краткое описание чертежей
Фигура 1. Схема устройства для определения способности к уменьшению загрязнений дорожного покрытия согласно изобретению.
Раскрытие изобретения
Был неожиданно найден новый продукт на основе цемента, пригодный для применений в дорожных покрытиях, который обладал превосходной фотокаталитической эффективностью и высокой устойчивостью к истиранию. Указанные цели достигаются перколированием пористого асфальта с прерывистым гранулометрическим составом особой композицией (или фотокаталитическим жидким строительным раствором), содержащей цемент, фотокатализатор и предпочтительно также суперпластифицирующую добавку, модификатор вязкости и противовспенивающую добавку; эти дополнительные продукты добавляются лишь в количествах, достаточных для получения продукта, который после надлежащего перемешивания с водой просачивается вглубь асфальта. Обработанный таким образом асфальт предоставляет собой полугибкую двухкомпонентную композицию дорожного покрытия, обладающую высокой, длительной фотокаталитической активностью даже в условиях значительных механических нагрузок и неблагоприятных погодных условий, воздействию которых оказываются подвержены дорожные покрытия в городах и вне их в случаях высокой интенсивности транспортного потока.
Осуществление изобретения
Термин «двухкомпонентное полугибкое дорожное покрытие» используется для обозначения типа дорожного покрытия, содержащего битумный конгломерат пористого асфальта с прерывистым гранулометрическим составом, пустоты которого перколируются жидким цементным строительным раствором согласно изобретению. Это дорожное покрытие представляет собой такое решение для поверхности и конструкции, которое должно обеспечивать устойчивость к рабочим нагрузкам, вызываемым автомобильным движением. В отличие от поверхностей обычных дорог с бетонным покрытием обычно оно не имеет каких-либо технологических швов.
Термин «жидкий строительный раствор» или «жидкое цементное тесто» ("coulis" по-французски) используется для обозначения водной цементной композиции, не содержащей никаких заполнителей (для определения заполнителей см. стандарт LTNI EN 12620: 2003 (Итальянская национальная организация по стандартизации)).
Формулировка «способный к просачиванию вглубь» используется для обозначения способности жидкого строительного раствора полностью заполнять полости в слое пористого асфальта с прерывистым гранулометрическим составом, имеющего среднюю толщину между 30 мм и 50 мм.
Пористый асфальт с прерывистым гранулометрическим составом широко известен и применяется в связанных с дорожными покрытиями применениях. Он представляет собой материал с открытыми порами, состоящий, как правило, из одной или нескольких фракций крупного заполнителя (и по существу не содержащий мелкого заполнителя) и каких-либо наполнителей, при этом все названные компоненты находятся во включенном в основу асфальта (или нижний битуминизированный слой дорожного покрытия) состоянии. Такой асфальт имеет высокую процентную долю содержания полостей, как правило, между 20 об.% и 40 об.% и предпочтительно между 25 об.% и 35 об.%. Процентная доля содержания битумного вяжущего вещества (или битума, в соответствии со стандартом UNI EN 12591), как правило, варьирует от 4 масс.% до 7 масс.% от массы готового продукта (битум, заполнители и любые наполнители). Такой асфальт укладывается с помощью обычной асфальтоукладочной строительной техники поверх слоя дорожного покрытия, который может существовать ранее (например, цементощебеночного материала или обычного уплотненного битумного асфальта), или приготовленного специально. Контрольным асфальтом, использованным для измерения глубины проникновения, для целей настоящей патентной заявки являлся продукт, названный «0/14», композиция которого представлена в таблице 2. Указанный контрольный образец рассматривается лишь в качестве неограничивающего примера, так как рассматриваемые здесь жидкие строительные растворы являются применимыми к любому типу пористого асфальта с прерывистым гранулометрическим составом.
Содержащийся в жидком строительном растворе цемент предпочтительно является цементом, который согласно стандарту UNI EN 197-1 определяется как тип 1, например, серым или белым портландцементом. Для уменьшения времени твердения и созревания возможными также являются цементные смеси, например, портландцемента с быстросхватывающимся цементом (таким как цемент сульфоглиноземистого типа).
X
X
2
Фотокатализатор состоит из одного или нескольких соединений, способных окислять одно или несколько загрязняющих окружающую среду веществ в условиях естественной освещенности, окружающей атмосферы и влажности. Среди загрязняющих окружающую среду веществ следует упомянуть NO, SO и несгоревшие углеводороды. Предпочтительным фотокатализатором является диоксид титана (ТЮз), по меньшей мере частично представленный в кристаллографической форме анатаза, или один из его предшественников. Предпочтительные процентные доли содержания анатаза составляют по меньшей мере 20 масс.%, по меньшей мере 50 масс.%, по меньшей мере 75 масс.% или 100 масс.% от общего количества ТiO. В продаже доступны различные типы диоксида титана в форме анатаза, все из которых являются подходящими для применения в изобретении; примерами являются AT1, PC50, PC 105 производства Millennium Chemicals, имеющие различные величины удельной поверхности. Для получения различных величин удельной поверхности предпочтительно используются смеси из двух или более разновидностей диоксида титана. Среди предшественников диоксида титана следует упомянуть так называемую титановую массу, которая представляет собой промежуточный продукт цикла производства диоксида титана.
Вместо вышеупомянутых отдельно используемых цемента и фотокатализатора также возможно применение цемента, предварительно перемешанного с фотокатализатором (или фотокаталитического цемента), примером такого продукта является цемент ТХ Aria  (Italcementi).
Суперпластификатор может быть выбран из числа легко доступных соединений, таких как сульфонаты меламина, сульфонаты нафталина, поликарбоксилаты и т.д., и их комбинаций. Поликарбоксилаты, такие как Cimfluid Adagio P3 (Axim, Франция), являются особенно предпочтительными.
Модификатор вязкости может быть выбран из числа легко доступных соединений, таких как гидроксиалкилцеллюлоза, гидроксиалкилгуары, крахмал и их производные, других полисахаридов, сукциногликанов, полиэтиленоксидов, полиуретанов и т.д., и их смесей. Предпочтительно применяется гидроксиалкилгуар, такой как Collaxim P6 (Axim, Франция), со степенью замещения 2,3.
Противовспенивающая добавка может быть выбрана из числа легко доступных соединений, обычно из одного или нескольких ПАВ с ГЛБ (или гидрофилъно-липофилъный баланс, то есть отношение количества гидрофильных, полярных участков к количеству липофильных), составляющим 6. Предпочтительной противовспенивающей добавкой является Desaerocim P1.
Содержащие кремний порошки, такие как кремнеземная пыль, пуццолан или другие активные добавки, в жидкий строительный раствор изобретения предпочтительно не включаются. Формулировка «предпочтительно не включается» используется для обозначения того, что, хотя эти разновидности могут при необходимости использоваться, как это показано в экспериментальном разделе, однако они не являются обязательными для приготовления композиции настоящего изобретения и достижения указанного заявителем технического результата.
Жидкие строительные растворы изобретения получают смешиванием вышеупомянутых ингредиентов в предпочтительных массовых пропорциях, рассчитанных по отношению к массе цемента: фотокатализатор - между 0,01% и 8% и предпочтительно между 2% и 6%, например, 3,5%; суперпластификатор - между 0,005% и 5% и предпочтительно между 0,01% и 0,5%, например, 0,29%; модификатор вязкости - между 0,0005% и 0,1% и предпочтительно между 0,001% и 0,05%, например, 0,005%; противовспенивающая добавка - между 0,001% и 0,1% и предпочтительно между 0,005% и 0,05%, например, 0,01%.
VI
Возможно могут включаться и другие добавки, например (в качестве неисчерпывающего примера), восстановители Сr, такие как Reducem P и порообразующие агенты.
Все вышеупомянутые ингредиенты предпочтительно применяются в порошкообразной форме и объединяются в виде сухих ингредиентов для получения предварительно перемешанного сухого продукта, который образует неотъемлемую часть настоящего изобретения. Эти продукты могут быть преобразованы в жидкий строительный раствор смешиванием с подходящим количеством воды. Величина водоцементного отношения в жидком строительном растворе предпочтительно составляет между 0,65 и 0,33 или еще лучше между 0,55 и 0,4, например, 0,48.
Приготовленное согласно изобретению двухкомпонентное полугибкое дорожное покрытие может быть покрытием любого типа, предназначаемым, в частности, для дорог или площадей в пределах или вне города, взлетных полос или служебных мест паркования в аэропортах, промышленных покрытий или любых других типов покрытий, подвергаемых тяжелым механическим воздействиям. Все вышеуказанные объекты, упоминаемые здесь в качестве неограничивающего примера, образуют неотъемлемую часть настоящего изобретения. Они отличаются верхней поверхностью, состоящей из пористого асфальта с прерывистым гранулометрическим составом, поверхность и поверхностные полости которого соответственно покрыты и перколированы ранее описанным жидким строительным раствором. Указанный жидкий строительный раствор распространяется по порам в асфальте до глубины, составляющей в среднем между 30 и 50 мм. После надлежащего нанесения и уплотнения продукта водный компонент испаряется, а цементное тесто остается in situ в сухом состоянии; получающееся дорожное покрытие образует неотъемлемую часть настоящего изобретения.
Дорожное покрытие изобретения может содержать один слой пористого асфальта, перколированного жидким строительным раствором, или же она может содержать, кроме того, подстилающие слои любой природы, например, из обычного асфальта, цементо-щебеночного материала или просто грунта.
Перколяция обеспечивается первоначальным смешиванием предварительно перемешанного сухого продукта с достаточным количеством воды в подходящем смесительном устройстве (например, бетономешалке барабанного типа) и последующим разливанием, распространением или нанесением жидкого строительного раствора на асфальт с помощью насоса.
Покрытие обширных площадей поверхности легко обеспечивается с помощью автоматизированной системы для струйной обработки или насосной системой из одного или нескольких пунктов подачи. Жидкая смесь может быть равномерно распределена по всей поверхности асфальта с помощью известных немеханизированных способов (щетками) или механическими устройствами (распределительными машинами). Перколяция асфальта обеспечивается композицией жидкого строительного раствора, то есть нет необходимости применения каких-либо механических способов, например, вибрации, уплотнения и т.д. для принуждения продукта просачиваться на заданную глубину (что объясняет, почему жидкий строительный раствор определяется как «самопросачивающийся»).
Обработанный таким образом асфальт затем претерпевает период вызревания для обеспечения уплотнения перколированного продукта. Для того, чтобы вызревание проходило в условиях регулируемой влажности, обработанная поверхность может быть накрыта листом полимерного или нетканого материала.
В случаях, когда существующая ранее, предназначаемая для осуществления обработки поверхность не является выполненной из пористого асфальта, подходящий слой асфальта с прерывистым гранулометрическим составом может быть наложен в соответствии с известными способами поверх ее; после подходящего уплотнения и выдержки для остывания (обычно после 24 часов) образовавшийся конгломерат может быть перколирован жидким строительным раствором изобретения согласно вышеописанному способу.
Как продемонстрировано в экспериментальном разделе, настоящее изобретение обеспечивает продукт с интенсивной и длительной фотокаталитической активностью. Жидкий строительный раствор, перколируемый в пористый асфальт с прерывистым гранулометрическим составом, образует фазу, которая является очень устойчивой к истиранию и вымыванию. Полученное дорожное покрытие показало, что даже после сильных и повторяющихся разрушающих воздействий она продолжает сохранять высокую фотокаталитическую активность, превосходящую фотокаталитическую активность известных продуктов. Эти неожиданные превосходные результаты были предпочтительно достигнуты без необходимости в добавлении каких-либо материалов, широко используемых для увеличения механической прочности материала, например, кремнеземной пыли, заполнителей или волокон. Таким образом было получено фотокаталитическое дорожное покрытие, которое является очень эффективным и простым в изготовлении с невысокими производственными затратами.
Следующие примеры дополнительно иллюстрируют настоящее изобретение, ни в коей мере не ограничивая его объема.
Экспериментальный раздел
Пример 1. Испытания на вымывание водой.
В ходе выполнения экспериментов два образца, представляющие одни и тот же пористый асфальт, обозначаемый как 0-14, были обработаны, соответственно, строительным раствором согласно патентной заявке ЕР 1 752 429 (Fotofluid, продукт, выпускаемый компанией Global Engineering) и жидким строительным раствором согласно настоящему изобретению, использующим композицию, представленную в таблице 1. Композиция пористого асфальта (гранулометрический состав заполнителей и наполнителей и содержание битума) определена в таблице 2.
Таблица 1
Масса (г)
% (массовая процентная доля цемента)
СЕМ I 52.5 R ULTRACEM Calusco
2800
100
Фотокатализатор
98
3,5
Вода
1344
48
Cimfluid Adagio Р3
8
0,29
Desaerocim P1
0,28
0,01
Collaxim P6
0,14
0,005
Reducem P
2,52
0,09
Таблица 2
Асфальт с прерывистым гранулометрическим составом 0-14
MM
проходящая фракция, %
16
100
12,5
65-75
8
15-25
4
13-23
2
11-21
1
8-18
0,25
7-12
0,08 (наполнитель)
3-5
Отношение битум/заполнитель 4 масс.%
Подвергнутые вымыванию питьевой водой в течение 24 часов с целью моделирования воздействия на дорогу интенсивных дождевых осадков, контрольные образцы показали убыль массы, составляющую между 11 масс.% и 33 масс.% от общей перколированной в образец массы, тогда как образцы, обработанные продуктом изобретения, показали убыль массы менее 2%.
Следовательно, жидкий строительный раствор согласно настоящему изобретению продемонстрировал намного более высокую устойчивость к вымыванию, чем контрольный строительный раствор. Это было особенно удивительно, принимая во внимание то, что композиции изобретения (в отличие от контрольного строительного раствора, который содержал цемент, упроченный заполнителями и кремнеземной пылью), не казались подпадающими под классификацию в качестве цементного продукта с высокими прочностными характеристиками.
Пример 2. Испытания фотокаталитической активности после поверхностной эрозии.
X
Далее образцы асфальта с прерывистым гранулометрическим составом, полученные так же, как и в примере 1, но не подвергавшиеся вымыванию, были подвергнуты испытанию с целью измерения их способности снижать содержание NO в течение 60 минут.
2
Испытание фотокаталитической активности проводилось с помощью способа, при котором газообразная смесь NO+NO рециркулировала в реакторе, в который помещались образцы (схема по стандарту UNI), фигура 1.
Для выполнения этого испытания было приготовлено следующее устройство:
- 1 баллон для вмещения воздуха;
X
2
- 1 баллон для газов (NO), или два отдельных баллона для NO и NO;
X
- 1 контрольная система для измерения массового расхода газа (NO);
- 1 расходометр;
- 1 смесительная камера;
- 1 реактор;
- 1 лампа;
- 1 насос для рециркуляции газа;
X
- 1 анализатор хемилюминесценции для NO;
- 1 насос отвода газа (для анализатора);
- соединительные детали (вентили, трубы и тройники);
- 1 насос для отвода газа (см. этап 0).
Для выполнения этого испытания использовалась следующая методика:
Этап 0: «чистка» системы в условиях вакуума в течение 10 минут.
В темноте:
Этап 1 - предварительный анализ потока газа в течение 30 минут до тех пор, пока поток не станет устойчивым (номинальные значения±20%).
Этап 2 - рециркуляция потока газа в реакторе в течение 30 минут.
Этап 3 - (первый) отбор пробы газа - 1 литр в течение 60 секунд.
Этап 4 - рециркуляция потока газа в реакторе в течение 30 минут.
Этап 5 - (второй) отбор пробы газа - 1 литр в течение 60 секунд.
Этап 6 - предварительный анализ потока газа в течение 30 минут до тех пор, пока поток не станет устойчивым (номинальные значения ±20%) - затем включение света.
На свету:
Этап 7 - предварительный анализ потока газа в течение 30 минут до тех пор, пока поток не станет устойчивым (номинальные значения ±20%).
Этап 8 - (первый) отбор пробы газа - 1 литр в течение 60 секунд.
Этап 9: - рециркуляция потока газа в реакторе в течение 30 минут.
Этап 10: - (второй) отбор пробы газа -1 литр в течение 60 секунд.
Этап 11:- выключение света и всех насосов.
Завершение испытания.
Снижающая загрязнения активность определялась спустя 30 и 60 минут:
x,30
NOx,0
NOx,30
NOx,0
ΔNO%=(C-C)/C.
x,60
NOx,0
NOx,60
NOx,0
ΔNO%=(C-C)/C
где:
NOx,0
C = исходная концентрация
NOx,30
x
C= концентрация NO спустя 30 минут
NOx,30
x
C = конечная концентрация NO спустя 60 минут.
Результаты показали по существу идентичную активность двух образцов спустя 60 минут (88% для контрольного продукта и 90% для продукта изобретения).
Затем образцы были подвергнуты процессу механической поверхностной эрозии, которая моделировала износ, вызываемый автомобильным движением. Эрозия обеспечивалась на двух образцах идентичном образом посредством удаления поверхностного слоя до глубины 2 мм: на этой глубине поверхностный слой продукта на основе цемента, покрывающего внешнюю сторону асфальта, полностью удалялся, и на поверхности оказывались полости в асфальте, содержащие эквивалентные количества продукта на основе цемента.
x
Обработанные таким образом образцы использовались для повторного испытания способности снижать содержание NO, измеряемой на протяжении 60 минут. Результаты продемонстрировали предсказуемое снижение эффективности фотокаталитического слоя на поверхности асфальта в отношении его способности уменьшать загрязнения. Однако как ни удивительно, но остаточная активность образца согласно изобретению оказалась заметно более высокой, а именно: 73% по сравнению с 56% контрольного продукта.
Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что жидкий строительный раствор согласно изобретению предоставляет двойное преимущество, заключающееся в высокой устойчивости против эрозии и выраженной долговечности его фотокаталитической активности даже после случайной потери верхних слоев покрытия.