Полимерный модификатор битума

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, к получению модификатора для полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном и гражданском строительстве для покрытия дорог, аэродромов, спортивных площадок, кровли. Модификатор получается в виде твердой, нелипнущей массы, удобной для транспортировки и непосредственного введения в разогретый битум на месте проведения дорожно-строительных работ. Технический результат - модификатор обеспечивает низкие (до - 27-29°С) температуры хрупкости и высокие (до +53-55°С) температуры размягчения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на его основе, что гарантирует надежную работоспособность ПБВ в условиях значительных перепадов температур. Модификатор состоит из следующих компонентов: битума 50-80 мас.%, предварительно деструктированной в битуме резиновой крошки, являющейся отходом резинового производства 10-25 мас.%, полидиенового каучука СКИ-3 1-5 мас.%, полиэтилена (ПЭВД) или тройного сополимера этилена с пропиленом и диенами - СКЭПТ-40 1-10 мас.%, минерального масла 1-15 мас.%. 4 табл.

Изобретение относится к составам полимерных модификаторов битума, которые могут быть использованы для получения полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном и гражданском строительстве для покрытий дорог, строительства аэродромов, покрытия спортивных площадок, гидроизоляции строительных конструкций и др.

Известны многочисленные полимерно-битумные смеси, используемые для покрытия дорог и других общественных сооружений (Progress in Organic Coatings 1989, 17, 3, 221; Rubber Chem. Technol. 1984, 67, 447). Чаще всего в качестве полимерной составляющей при этом используются термопластичные полимеры: эластомеры, полиолефины (полиэтилен, полипропилен, сополимеры этилена и т.д. ). Однако их использование требует обычно приготовления полимерно-битумной композиции в заводских условиях с последующей доставкой в горячем виде к месту выполнения дорожно-строительных работ. Более удобным представляется изготовление небольшого количества модификатора и введение его в битум непосредственно на месте выполнения работ.

Известны полимерные композиции, пригодные для использования в качестве модификаторов битума, и модифицированные ими битумные композиции (патент US 4.829.109, С 08 L 95/00, 31/04, 23/12, 23/16 (1989)). Полимерный модификатор состоит из 20-50% этиленпропиленового эластомера с содержанием этилена 60 -75%, 0 - 25% изотактического полипропилена, 0 - 25% полиэтилена (с плотностью 0,96-0,98) и 0-25% этиленвинилацетатного сополимера с содержанием этилена 60-95%. Битумная композиция содержит 70 - 90% битума и 30 -10% указанного выше модификатора. В битумную композицию добавляются также инертные наполнители: кремнезем, каолин слюда, карбонат кальция и т.д. Приготовление модификатора заключается в предварительном смешении полимеров, экструдировании смеси, грануляции и последующем смешении гранулята с битумом при 190^oC. Недостатком получаемой битумной композиции является высокая температура хрупкости, равная от -6 до -15^oC.

Наиболее близким по технической сущности является модификатор битума и применение его в битумных композициях (патент PCT(WO) 88/08866, С 08 L 95/00, 23/02 (1988))- прототип. Модификатор содержит 1- 85% смазочных масел, 1- 70% полимеров и 1-90% добавок. В качестве смазочных масел могут быть использованы диатермические, поршневые, смазочные или компрессорные масла минерального или синтетического происхождения. В качестве полимеров могут быть использованы изотактический полипропилен, полиэтилен, их смеси. В качестве добавок используют атактические гомополимеры, сополимеры этилена и пропилена, полиолефины, полистирол, полидиены, битум и их смеси. Для модификации твердых битумов используется модификатор, содержащий 60-80% смазочных масел, 15-30% полимеров и 5-10% добавок. Для модификации мягких битумов используется модификатор, содержащий 30-55% смазочных масел, 35-50% полимеров и 10-20% добавок. Модификатор готовят путем смешения компонентов при температуре около 180^o до гомогенизации, отливания и охлаждения в виде кусков (плит) или гранул. Модификатор заявлен с целью улучшения физико-механических свойств битума, конкретные характеристики которых, как и соотношение модификатор-битум, не приводятся. Достоинством модификатора является возможность вторичного использования масел, даже уже не пригодных к обычной эксплуатации. Существенным недостатком является использование больших (до 30-50%) количеств дорогих синтетических полимеров и значительная липкость модификатора за счет большого содержания в нем жидких масел, что создает сложности при работе с ним и при транспортировке модификатора месту проведения дорожных работ.

Задача изобретения - разработка полимерного модификатора битума на базе более дешевых компонентов, обладающего низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения, получаемого в форме, удобной для транспортировки и прямого введения в битумную массу на месте ее использования в дорожном строительстве, обеспечивающего низкую температуру хрупкости и высокую температуру размягчения получаемого на его основе полимерно-битумного вяжущего (ПБВ).

Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, полимерный модификатор битума, включающий битум, полимеры диенов и этилена, минеральное масло, в качестве модифицирующей свойства добавки содержит предварительно деструктированную в битуме резиновую крошку при следующем соотношении компонентов, мас.%: Битум (БНД 60/90 или 90/130) - 50-80 Резиновая крошка - 10-25 Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-З - 1-5 Сополимер этилен-пропиленовый (синтетический каучук СКЭПТ-40) или полиэтилен высокого давления - ПЭВД - 1-10 Масло минеральное (соляровое, индустриальное масло И-8А, нафтапласт и др.) - 1-15 При приготовлении полимерного модификатора битума используют наиболее часто применяемые в условиях средней полосы России битумы марок БНД 60/90 и 90/130; резиновую крошку с диаметром частиц 0,5-0,9 мм, являющуюся отходом резинового производства; каучук СКИ-3 с вязкостью по Муни 75-85; каучук СКЭПТ-40 с вязкостью по Муни 36-45 (содержащий в качестве третьего компонента в составе сополимера этилиденнорборнен или дициклопентадиен) или полиэтилен высокого давления (ПЭВД) с индексом текучести расплава 1,7-2.

ПЭВД в предлагаемый модификатор может быть введен при его приготовлении как в гранульной форме, так и в виде пленки, в том числе вторично используемой, что удешевляет стоимость модификатора. Возможно применение отработанных минеральных масел для набухания входящих в рецептуру модификатора каучуков.

Модификатор готовят следующим образом. В разогретый до 160^oC битум добавляют резиновую крошку и перемешивают (300 об/мин) для набухания резины при 180^oC в течение 1-1,5 ч. Затем температуру постепенно повышают до 250^oC для деструкции резиновой крошки и затем продолжают перемешивание еще 30 мин при 250^oС. Нагрев отключают и после охлаждения массы до 180^oC при перемешивании в нее вводят предварительно набухшие в масле каучуки СКИ и СКЭПТ (или каучук СКИ и предварительно растворенный в битуме полиэтилен).

Набухание и смешение каучуков с маслом проводят предварительно на вальцах при соотношении компонентов 1:1. Вальцованный продукт нарезают полосками (0,5х5х10 см) для ускорения последующего смешения его с битумом. Полиэтилен предварительно растворяют в битуме при температуре 160^oC и перемешивании (при соотношении компонентов 1:2).

Смесь всех компонентов перемешивают при температуре 180^oC в течение 0,5 -1 ч для гомогенизации и сливают через обогреваемый кран в разъемные формы, продукт охлаждают на воздухе, возможна грануляция продукта. Предлагаемый модификатор битума получают в виде твердой, нелипнущей массы, он хорошо режется и может быть легко введен в заданном соотношении в разогретый битум непосредственно на месте проведения дорожных или строительных работ. Использование предложенного модификатора исключает необходимость перевозки готового полимерно битумного вяжущего в обогреваемых битумовозах.

Предлагаемый модификатор битума содержит предварительно деструктированную в битуме резиновую крошку с диаметром частиц 0,5-0,9 мм, являющуюся отходом производства резино-технических изделий. Крошка является вторично перерабатываемым полимером, использование которого позволяет существенно уменьшить расход дорогих синтетических полимеров, а следовательно, сделать модификатор значительно более дешевым. Деструкция крошки приводит к частичному распаду вулканизационной сетки в резине и вследствие этого способствует гомогенному смешению ее с битумом. Наличие деструктированной крошки в количестве 10-25 мас.% обеспечивает эластичность и одновременно высокую температуру размягчения полученного модификатора и ПБВ на его основе. Использование крошки в количествах, меньших 10%, не позволяет достичь одновременно высокого значения температуры размягчения и низких значений температуры хрупкости, а использование ее в количестве большем 25 мас.% не позволяет получить гомогенную смесь битума и с крошкой, и с другими компонентами модификатора.

Входящие в состав предложенного модификатора в небольшом количестве каучук СКИ-3 (1- 5%) и СКЭПТ или полиэтилен высокого давления (в количестве 1-10 мас. %) -полимеры, обладающие низкими температурами стеклования (- 60^oC), способствуют понижению температуры хрупкости модификатора и ПБВ на его основе. Одновременно ПЭВД как кристаллический полимер с температурой плавления 105-110^oC повышает температуру размягчения модификатора. Аналогично действует СКЭПТ, который за счет наличия в его составе до 4% звеньев, содержащих двойные связи, может в процессе приготовления модификатора образовывать при нагревании в битуме очень редкую взаимопроникающую сетку с полимерными компонентами модификатора и тем самым повышать температуру его размягчения, не увеличивая температуру хрупкости модификатора. Использование каучуков и ПЭВД в количестве меньшем 1% не обеспечивает достижения низкой температуры хрупкости и высокой температуры размягчения, а более высокие, чем указанные в рецептуре модификатора предельные содержания этих компонентов, не приводят к дальнейшему улучшению его свойств, но значительно увеличивают стоимость модификатора за счет непроизводительного расхода дорогих полимеров. Применение ПЭВД в количестве большем 10 мас.% нецелесообразно также в связи с ухудшением при этом совместимости с остальными компонентами модификатора, что влияет на его гомогенность.

Содержание в предложенном модификаторе минерального масла (в количестве 1-15 мас.%) определяется количеством использованных в его составе каучуков, так как масло вводится для набухания в нем высокомолекулярных каучуков с целью облегчения их смешения с битумом. Соотношение количества каучуков и масла, равное 1:1, является оптимальным для приготовления предлагаемого модификатора. При меньшем количестве масла трудно добиться гомогенного распределения каучуков в составе модификатора, а использование масла в большем количестве приводит к понижению температуры размягчения модификатора и значительному повышению липкости всей композиции.

Примеры состава и свойств полимерного модификатора битума приведены в табл. 1 Как видно из данных табл.1, предложенный полимерный модификатор битума, содержащий значительно меньшие количества полимеров, чем прототип, обладает низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения, значения которых значительно превосходят соответствующие параметры известных, например, по патенту US 4.829.109.С 08 L 95/00, модификаторов. Следует отметить также отсутствие липкости модификатора предлагаемого состава, что делает его применение доступным непосредственно на месте проведения дорожно-строительных работ.

Предложенный модификатор используют для приготовления полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) путем добавления его в дорожный битум в соотношении 10-20 мас. ч. модификатора на 90-80 мас.ч. битума. Состав и свойства ПБВ, получаемых с применением предлагаемого модификатора, приведены в табл. 2-4. Содержание компонентов дано в мас.%.

Как видно из данных табл. 2-4, содержание полимеров в ПБВ не превышает 2-4%, что намного меньше, чем в прототипе и аналоге. Использование предложенного модификатора позволяет получать ПБВ, обладающие низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения, что обеспечивает их эффективное применение для дорожных покрытий, работающих в условиях больших перепадов температур. При этом общее содержание синтетических полимеров в ПБВ значительно меньше, чем в прототипе, а обнаруженные свойства - высокая температура размягчения и низкая температура хрупкости, превосходят аналогичные параметры известных полимерно-битумых композиций.

Сопоставление данных табл. 1 и табл. 2-4 показывает, что изменение количества введенного модификатора и варьирование его состава в заявленных рамках позволяет изменять параметры полимерно-битумного вяжущего в нужном для конкретных условий направлении.

Таким образом изобретение позволяет получать модификатор битума на базе более дешевых компонентов, обладающий низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения, лишенный липкости, в удобной для транспортировки форме, пригодный для прямого введения в разогретый битум на месте его использования при проведении дорожно-строительных работ. Модификатор обеспечивает низкую температуру хрупкости и высокую температуру размягчения получаемых на его основе полимерно-битумных вяжущих. Использование модификатора улучшает условия труда при проведении дорожно-транспортных работ.

Предложенный полимерный модификатор опробован Свердловскавтодором при укладке верхнего слоя дорожного покрытия на опытном участке автодороги Свердловск-Тюмень. Лабораторные испытания, проведенные отделом контроля качества дорожного ремонтно-строительного управления, показали, что асфальтобетонная смесь на основе полимерно-битумного вяжущего, содержащего предложенный модификатор, имеет хорошие эксплуатационные свойства.

Формула изобретения

Полимерный модификатор битума для получения полимернобитумных вяжущих, включающий битум, полидиеновый каучук, полимер этилена или сополимер этилена с пропиленом, минеральное масло, отличающийся тем, что в качестве битума он содержит дорожный битум БНД 60/90 или БНД 90/130, в качестве полидиенового каучука - каучук синтетический полиизопреновый СКИ-3, в качестве минерального масла - масло, выбранное из группы, включающей соляровое, индустриальное И-8а, или нафтапласт, в качестве сополимера этилена с пропиленом - каучук синтетический этилен - пропиленовый тройной СКЭПТ - 40, содержащий в своем составе звенья дициклопентадиена или этилиденнорборнена, в качестве полимера этилена полиэтилен высокого давления ПВЭД и дополнительно содержит модифицирующую добавку - предварительно деструктированную в битуме резиновую крошку, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Дорожный битум БНД 60/90 или 90/130 - 50 - 80
Резиновая крошка - 10 - 25
Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-3 - 1 - 5
Вышеуказанный сополимер этилена с пропиленом или полиэтилен высокого давления ПВЭД - 1 - 10
Масло минеральное (соляровое, индустриальное масло И-8А, нафтапласт) - 1 - 15

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3