Вяжущее для асфальтобетонных смесей

 

Изобретение относится к композициям на основе нефтяных битумов, предназначенных в качестве вяжущих в составах асфальтобетонных смесей, используемых для строительства автодорожных и аэродромных покрытий. С целью повышения водостойкости, теплостойкости и морозостойкости автодорожных покрытий, а также расширения температурного диапазона их укладки в область отрицательных температур вяжущее в качестве модификатора нефтяного битума содержит продукт высокотемпературного гликолиза полиуретановых отходов, полученный при 180-200^oC и массовом соотношении отходов и низкомолекулярных гликолей 75:25 - 90: 10 при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%: нефтяной битум - 94-96; продукт гликолиза полиуретановых отходов - 4-6. 3 табл.

Настоящее изобретение относится к рецептурам композиций на основе нефтяных битумов, предназначенных в качестве вяжущих в составах асфальтобетонных смесей, которые, в свою очередь, используются для обустройства автодорожных и аэродромных покрытий.

Известен состав вяжущего для асфальтобетонных смесей по а.с. N 547489, СССР, МПК E 01 C 7/18, включающий нефтяной битум и поверхностно-активное вещество, в качестве которого используют смесь линейного сополимера дивинила с альфа-метилстиролом и кубовых остатков производства альфа-метилстирола, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Битум - 33 - 34 Линейный сополимер дивинила с альфа-метилстиролом - 8 - 17 Кубовые остатки производства альфа-метилстирола - 50 - 58 Недостатком указанного вяжущего является низкая технологичность его изготовления, обусловленная высокой трудоемкостью, так как растворение сополимера дивинила с альфа-метилстиролом в кубовых остатках производства последнего осуществляют при температуре 150 - 170^oC в течение 8 - 12 часов. Кроме этого, необходимо дополнительное время на совмещение полученной добавки с расплавом битума.

Известен состав асфальтобетонной смеси, где в качестве вяжущего применяют нефтяной битум, модифицированный низкомолекулярным полиэтиленом (А.с. N 916630, СССР, МПК E 01 C 7/18). Известна также рецептура асфальтобетонной смеси, в которой в качестве модификатора нефтяного битума используют смесь синтетического линейного каучука (этиленпропиленовый каучук, бутилкачук, дивинилстирольный термоэластопласт) и полиуретана ацетального строения (А.с. N 903450, СССР, МПК E 01 C 7/18). Однако оба известных состава, как и предыдущий, имеют высокую трудоемкость приготовления, связанную с необходимостью длительного растворения термопластичных полимерных модификаторов в расплаве нефтяного битума. Кроме того, стоимость кондиционных полимеров по сравнению с битумом довольно высока, что ведет к росту себестоимости строительства асфальтобетонных покрытий.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и технологичности приготовления является состав вяжущего для асфальтобетонных смесей по А.С. N 910913, СССР, МПК E 01 C 7/18, включающий нефтяной битум и поверхностно-активное вещество, в качестве которого используют кубовые остатки метиловых эфиров, полученных при производстве сложных эфиров на основе синтетических жирных кислот C₁₈ - C₂₅, выкипающих в температурном интервале 370 - 430^oC и имеющих кислотное число 90 - 120 мгКОН/г при следующем соотношении между компонентами вяжущего, мас.%: Битум - 96 - 97 Кубовые остатки метиловых эфиров - 3 - 4 Преимущество данного состава состоит в простоте его изготовления. Помимо этого, его производство решает и задачу ресурсосбережения, утилизируя отходы химической промышленности. Наряду с преимуществами состав-прототип обладает и рядом существенных недостатков, ограничивающих области его применения. В частности, известное вяжущее не обеспечивает получение качественных асфальтобетонных покрытий, когда их строительство осуществляется при температуре ниже 0^oC. Образующиеся покрытия недостаточно водостойки, теплостойки и морозостойки.

Задача, решаемая данным изобретением, - расширение температурного диапазона укладки асфальтобетонной смеси в область отрицательных температур, повышение водостойкости, теплостойкости и деформативных характеристик вяжущего и асфальтобетонной смеси на его основе.

Решение сформулированной выше задачи достигается за счет того, что в отличие от известного вяжущего для асфальтобетонной смеси на основе нефтяного битума и поверхностно-активного вещества заявляемый состав вяжущего в качестве поверхностно-активного вещества содержит продукт высокотемпературного гликолиза полиуретановых отходов, полученный при температуре 180 - 200^oC и массовом соотношении между отходами и низкомолекулярными гликолями от 75:25 до 90:10%, при следующем соотношении между компонентами вяжущего, мас.%: Нефтяной битум - 94 - 96 Продукт гликолиза полиуретановых отходов - 4 - 6
Новизна изобретения заключается в том, что в качестве модифицирующей добавки для нефтяных битумов впервые предложено использовать продукт переработки полиуретановых отходов. Это позволяет получить асфальтобетонные смеси и автодорожные покрытия на их основе с улучшенным комплексом важнейших показателей качества.

Продукт высокотемпературного гликолиза полиуретановых отходов по внешнему виду представляет собой вязкую (вязкость при 20^oC до 50 Па·с) темно-коричневую непрозрачную жидкость, имеющую плотность 1150 - 1200 кг/м³. Продукт нелетуч, обладает слабым органическим запахом. По химическому составу он представляет сложную смесь олигомерных эфируретанов, эфиров и аминов (среднечисленная молекулярная масса 199 - 2200 у.е), образующуюся в результате гликолиза полиуретановых макромолекул под действием низкомолекулярных гликолей. Брутто-схемы данного процесса гликолиза полиуретанов различной химической природы можно представить следующим образом:
1. Гликолиз полиэфируретанов на основе простых олигоэфирдиолов:

где R - остаток гибкого олигоэфирного сегмента полиэфируретана;
R' - остаток жесткого сегмента полиэфируретана;
R'' - остаток цепи низкомолекулярного гликоля.

2. Гликолиз полиэфируретанов на основе сложных олигоэфирдиолов:

где R и R' - остатки гибкого олигоэфирного сегмента полиэфируретана;
R'' - остаток жесткого сегмента полиэфируретана;
R''' - остаток цепи низкомолекулярного гликоля.

3. Гликолиз полиэфируретанмочевин на основе простых или сложных олигоэфирдиолов:

где R - остаток жесткого сегмента полиэфируретанмочевины;
R' - остаток гибкого олигоэфирного сегмента полиэфируретанмочевины;
R'' - остаток цепи низкомолекулярного гликоля.

Переработку полиуретановых отходов в жидкий продукт осуществляют путем их длительной выдержки (3 - 5 часов) при перемешивании и температуре 180 - 200^oC в присутствии указанных выше количеств низкомолекулярных гликолей, в качестве которых рекомендуется применять этиленгликоль, диэтиленгликоль или их смесь в произвольных пропорциях. Данным способом могут утилизироваться как отходы термопластичных полиуретанов, пенополиуретанов, так и отходы сшитых литьевых полиуретанов различного строения. Причем, вне зависимости от химической природы перерабатываемых полиуретановых отходов, основные характеристики образующегося продукта гликолиза изменяются незначительно (вязкость, плотность, молекулярная масса).

Большее влияние на свойства получаемого продукта гликолиза оказывает массовое соотношение между полиуретановыми отходами и гликолями: количество гликолей менее 10% брать нецелесообразно по причине того, что образующийся продукт не жидкий, а имеет пастообразное состояние, затрудняющее процесс его дальнейшего смешения с битумом. Использование при гликолизе более 25% низкомолекулярных гликолей также нецелесообразно, так как образующийся продукт имеет низкую вязкость, плохо совмещается с битумом по причине высокой полярности и при хранении расслаивается на олигомерную часть и непрореагировавший гликоль.

Приведенные массовые соотношения между компонентами вяжущего определены на основании экспериментальных исследований и являются оптимальными. При содержании продукта гликолиза полиуретановых отходов менее 4% эффект модификации нефтяного битума невысок. Его количество в смеси с битумом более 6% не приводит к дальнейшему улучшению эксплуатационных характеристик вяжущего и асфальтобетонных покрытий на его основе.

Вяжущие на основе нефтяного дорожного битума марки БНД 90/130 готовили путем разогрева битума при температуре (150±5)^oC, введении модифицирующих добавок в нужных количествах с последующим перемешиванием полученной смеси в течение 50 минут. Исходный битум без добавок перед испытанием также прогревается. Примеры конкретного выполнения приведены в таблице 1. (Состав-прототип содержал 96% битума и 4% кубовых остатков метиловых эфиров; в заявляемом составе вяжущего в качестве модифицирующей добавки использовали продукт гликолиза полиуретановых отходов, полученный из 20% диэтиленгликоля и 80% отходов литьевых полиуртанов).

Как видно из табл. 1, добавки продукта гликолиза полиуретановых отходов к битуму снижают вязкость битумного вяжущего (увеличивается значение пенетрации), что позволяет прогнозировать лучшую уплотняемость асфальтобетонных смесей, в ряде случаев снизить температуру выпускаемых смесей (экономия топлива и электроэнергии), а также расширить температурный диапазон при строительстве автодорог до минус 5 - 10^oC, то есть продлить строительный сезон укладки асфальтобетонных покрытий. Как правило, снижение вязкости битумных вяжущих связывают с уменьшением температуры их размягчения. Однако при введении продукта гликолиза данный эффект отсутствует - наблюдается даже некоторый рост температуры размягчения, что свидетельствует о повышении теплостойкости модифицированного битума и позволяет снизить вероятность образования колей, волн и сдвигов на автодорожных покрытиях при высоких летних температурах. Кроме того, введение продукта гликолиза полиуретановых отходов в составы битумного вяжущего положительным образом сказывается на его деформативных характеристиках, особенно при 0^oC, и на температуре хрупкости, что позволяет прогнозировать повышение трещиностойкости асфальтобетонных покрытий при отрицательных температурах их эксплуатации.

Менее 4% и более 6% продукта переработки полиуретанов использовать нерационально: в первом случае малоэффективно, а во втором нецелесообразно по причине отсутствия дальнейшего улучшения комплекса характеристик вяжущего.

В табл. 2 показано влияние соотношения между утилизируемыми отходами полиуретанов и низкомолекулярным гликолем при получении продукта гликолиза на изменение свойств битумного вяжущего (составы вяжущего содержали 95% нефтяного битума марки БНД 90/130 и 5% продукта гликолиза полиуретановых отходов).

Как следует из таблицы 2, при содержании гликоля в смеси с полиуретановыми отходами больше 25%, помимо расслаивания полученного продукта, резко уменьшается температура размягчения битумного вяжущего с его содержанием. При количестве низкомолекулярного гликоля менее 10% образующийся продукт не приводит к улучшению реологических (пенетрация) и деформативных (растяжимость) характеристик битумного вяжущего.

На основе заявляемого вяжущего готовили асфальтобетонные смеси: на 100 мас. ч. наполнителей 6 мас.ч. вяжущего. При его изготовлении использовали продукт гликолиза, полученный из 80% полиуретановых отходов, и 20% равных частей этиленгликоля и диэтиленгликоля. В качестве наполнителей асфальтобетонов был принят следующий состав минеральной смеси, мас.%:
Гравий - 33
Песчаногравийная смесь - 55
Известняковый минеральный порошок - 12.

В таблице 3 приведены результаты проведенных испытаний. Из табл. 3 видно, что предлагаемый состав вяжущего приводит к некоторому снижению прочности асфальтобетона при температуре 20^oC. Однако и эти величины прочности превышают минимально допустимые значения в 2-3 раза. При этом более важным показателем является отсутствие снижения прочности асфальтобетона при 50^oC, что говорит о повышении его теплостойкости относительно прочности при 20^oC. Введение добавки продукта гликолиза в состав вяжущего позволяет существенно увеличить значение коэффициентов водостойкости и уменьшить набухание в воде и водонасыщение асфальтобетонных смесей, что особенно важно для условий дорожного строительства. Это позволяет прогнозировать повышение коррозионной устойчивости асфальтобетонных дорожных покрытий, полученных с использованием нефтебитумного вяжущего, модифицированного продуктами переработки полиуретановых отходов. Кроме того, испытания на морозостойкость подтвердили рост сопротивляемости асфальтобетона с модифицированным вяжущим попеременным циклом замораживание - оттаивание.

Таким образом, заявляемый состав вяжущего для асфальтобетонных смесей на основе нефтяного битума, модифицированного продуктом высокотемпературного гликолиза полиуретановых отходов, позволяет улучшить комплекс важнейших показателей качества автодорожных покрытий - теплостойкость, водостойкость и морозостойкость.

Формула изобретения

Вяжущее для асфальтобетонных смесей, включающее нефтяной битум и поверхностно-активное вещество, отличающееся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества оно содержит продукт высокотемпературного гликолиза полиуретановых отходов, полученный при 180 - 200^oC и массовом соотношении отходов и низкомолекулярных гликолей 75 : 25 - 90 : 10 при следующем соотношении между компонентами, мас.%:
Нефтяной битум - 94 - 96
Продукт гликолиза полиуретановых отходов - 4 - 6

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2