Способ получения полимерно-битумного вяжущего

 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве дорожных, кровельных, гидроизоляционных и других материалов. Способ получения полимерно-битумного вяжущего включает смешение термоэластичного полимера и битума, нагретого до 170-180^oC в аппарате смешения. Смешение осуществляют путем одновременной подачи битума и термоэластичного полимера в аппарат смешения и создания в нем высокой скорости потока вяжущего порядка 30-75 м/с, внутри которого возникают локальные зоны пониженного давления 0,500·10⁵ - 0,507·10⁵Па, вызывающие интенсивное диспергирование и растворение полимера в битуме. Технический результат - сокращение времени проведения процесса, снижение энергоемкости. 2 табл.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве дорожных, кровельных, гидроизоляционных и других материалов.

Известен способ повышения физико-механических свойств дорожного битума (авторское свидетельство СССР No 272881, кл. C 08 H 13/00, опубл. 1970 г.), включающий введение в битум при 80 - 200^oC и непрерывном перемешивании дивинилстирольных термоэластопластов в количестве 0,1 - 10% от веса битума как в присутствии растворителя, так и без него.

Известное вяжущее имеет достаточно высокую прочность и эластичность. Однако в случае отсутствия растворителя полного совмещения полимера с битумом не достигается.

Это является причиной образования трещин в дорожном покрытии ниже минус 10^oC. Введение в битум полимера в виде раствора с применением таких растворителей, как ксилол, сольвент, керосин, дизтопливо и др., также не обеспечивает требуемой трещиностойкости. Кроме того, перечисленные растворители являются токсичными, взрыво- и пожароопасными.

Известен другой способ получения битумного вяжущего (патент России No 2038360, кл. C 08 L 95/00, опубл. 1995 г.), который включает смешение алкадиенстирольного термоэластопласта при 80 - 160^oC с маслом индустриальным, после чего полученную смесь вводят при 110 - 160^oC в битум.

Однако, несмотря на то, что полученные вяжущие имеют хорошие качественные показатели, применение дорогостоящего индустриального масла значительно удорожает конечный продукт, требует организации дополнительной линии для его смешения с полимером, а также увеличивает энергоемкость процесса.

Наиболее близким техническим решением является способ получения полимербитумного материала (авторское свидетельство СССР No 1664804, кл. C 08 L 95/00, опубл. 1991 г.), включающий смешение термоэластопластичного полимера, пластифицирующей добавки и битума, нагретого до 160 - 200^oC, в аппарате смешения. Смешение осуществляют путем последовательного продавливания через решетку аппарата-полимера пластифицирующей добавки и битума. Пластифицирующую добавку и битум подают через патрубки, расположенные под углом 30 - 60^o к плоскости решетки со скоростью 13 - 20 м³/ч. Затем, полученную смесь подвергают 2-3-кратному продавливанию.

Недостатком известного способа является продолжительность процесса получения вяжущего, составляющая 1,0 - 1,5 ч. Следует также отметить, что патрубки для подачи битума и пластификатора, расположенные под углом 30 - 60^o к плоскости решетки, создают угол атаки, вызывающий появление кавитации. Под кавитацией подразумевается образование пустот в виде парогазовых пузырьков при продавливании массы через решетку. Низкая скорость продавливания порядка 13 - 20 м³/ч и высокая вязкость среды способствуют образованию парогазовых пузырьков крупных размеров. Они концентрируются и разрываются у рабочих поверхностей, создавая опасность кавитационного износа этих поверхностей. Кроме того, недостаточная интенсивность перемешивания не обеспечивает полного диспергирования и растворения полимера, что естественно сказывается на качественных показателях полимерно-битумного вяжущего.

Задачей изобретения является создание экономичного способа получения полимерно-битумного вяжущего.

Технический результат - сокращение времени проведения процесса, снижение его энергоемкости и получение вяжущих, соответствующих требованиям действующих стандартов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения полимерно-битумного вяжущего, включающем смешение термоэластического полимера и битума, нагретого до 170 - 180^oC в аппарате смешения, смешение осуществляют путем одновременной подачи битума и термоэластичного полимера в аппарат смешения и создания в нем высокой скорости потока вяжущего порядка 30 - 75 м/с, внутри которого возникают локальные зоны пониженного давления 0,500 · 10⁵ - 0,507 · 10⁵ Па, вызывающие интенсивное диспергирование и растворение полимера в битуме.

В основу предлагаемого способа были положены научно-практические исследования, направленные на получение полимерно-битумного вяжущего. В результате, повышение интенсивности процесса получения полимерно-битумного вяжущего позволило сократить технологическое время до 0,5 - 1,0 ч, включая все стадии процесса, исключить введение дорогостоящих и токсичных пластифицирующих добавок, а также уменьшить металлоемкость и энергоемкость всей установки в целом.

Повышение интенсивности процесса обусловлено сильным локальным понижением давления (0,500 · 10⁵ - 0,507 · 10⁵ Па) в потоке жидкости, вследствие больших скоростей течения (30 - 75 м/с), возникающих за счет конструктивных особенностей смесительного аппарата. Гидродинамическая характеристика движения потока битума с полимером заключается в перераспределении скорости течения и давления, а также интенсивного развития турбулентного пограничного слоя. В области пониженного давления образуются и срываются симметричные и асимметричные вихри и парогазовые пузырьки с частотой срыва в рассматриваемом случае 500 с^-1.

Таким образом обеспечивается повышение степени дисперсности системы. Кроме того, под влиянием больших локальных градиентов давления, температуры и скорости происходит интенсивное возбуждение отдельных молекул битума и термоэластопласта.

В результате происходит ослабление взаимодействия и уменьшение размеров связанных групп между молекулами битума.

При этом имеет место механическая деструкция термоэластопласта, которая обусловлена локализацией механической энергии на отдельных участках цепи и возникновением внутренних напряжений, соизмеримых с энергией химической связи. В результате связь основной цепи разрывается. Это приводит к снижению молекулярного веса термоэластопласта. Образовавшиеся при этом макромолекулы обладают высокой реакционной способностью и могут свободно вступать в различные химические реакции.

Следует также отметить, что в области пониженного давления (0,500 - 0,507 · 10⁵ Па) движущегося потока битума происходит образование парогазовых пузырьков. Учитывая, что локальный градиент давления в начальный момент велик (10⁷ - 10⁹ Па), часть пузырьков разрывается. Локальная температура газа в стадии разрыва повышается до 10000^oC и парогазовая смесь в виде различных радикалов и заряженных частиц выбрасывается в дисперсионную среду. Система в этом случае имеет целую гамму различных возбужденных нейтральных и заряженных частиц, а также углеводородных радикалов. Дальнейшее взаимодействие активных центров термоэластопластов с активными центрами битума способствует образованию нового вяжущего пространственного строения, обладающего структурной сеткой, повышенной эластичностью и высокими физико-механическими показателями, соответствующими требованиям действующих стандартов.

Способ реализуется в аппарате смешения, который состоит из полого цилиндрического корпуса переменного сечения с активным элементом.

Способ реализуется следующим образом.

Битум, предварительно нагретый до 170 - 180^oC, закачивается насосом в трубопровод через смесительный аппарат в рабочую емкость. Одновременно, через эжекторный патрубок в трубопроводе в поток битума подается термоэластопласт. Смесь битума и термоэластопласта, попадая в область пониженного давления смесительного аппарата (0,500 - 0,507 · 10⁵ Па), подвергается интенсивному диспергированию. Диспергирование обеспечивается разрывающимися парогазовыми пузырьками, которые образуются в области пониженного давления в потоке битума (скорость потока 30 - 75 м/с или 30 - 50 м³/ч), имеющих локальный градиент давления в начальный момент разрыва 10⁷ - 10⁹ Па.

Пример 1. Были проведены исследования физико-механических свойств полимерно-битумного вяжущего на битуме и дивинилстирольном термоэластопласте. Битум, предварительно нагретый до 170^oC, закачивается насосом в трубопровод через смесительный аппарат в рабочую емкость. Одновременно через эжекторный патрубок в трубопроводе в поток битума подается термоэластопласт. Смесь битума и термоэластопласта, попадая в область пониженного давления смесительного аппарата (0,500 · 10⁵ Па), подвергается интенсивному диспергированию. Диспергирование обеспечивается разрывающимися парогазовыми пузырьками, которые образуются в области пониженного давления в потоке битума при его скорости в 30 м/с.

Результаты этих исследований приведены в табл. 1 и 2.

В табл. 1 приведены данные составов предлагаемых полимерно-битумных вяжущих и условия их приготовления. Они приведены в сравнении с прототипом.

В табл. 2 приведены физико-механические показатели предлагаемых вяжущих в сравнении со стандартными показателями, значения которых строго регламентируются ТУ 35-1669-88 "Вяжущие полимерно-битумные на основе ДСТ и полимерасфальтобетона".

Анализ приведенных данных показывает, что полимерно-битумные вяжущие, полученные в результате применения предлагаемого изобретения, в полной мере соответствуют требованиям стандартов. Кроме того, исключение дорогостоящих пластифицирующих добавок способствует снижению вредных веществ с атмосферу, сокращению проведения процесса и снижению его энергоемкости.

Формула изобретения

Способ получения полимерно-битумного вяжущего, включающий смешение термоэластичного полимера и битума, нагретого до 170 - 180^oC в аппарате смешения, отличающийся тем, что смешение осуществляют путем одновременной подачи битума и термоэластичного полимера в аппарат смешения и создания в нем высокой скорости потока порядка 30 - 75 м/с вяжущего, внутри которого возникают локальные зоны пониженного давления 0,500 · 10⁵ - 0,507 · 10⁵ Па, вызывающие интенсивное диспергирование и растворение полимера в битуме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2