Модифицированный битум и способ его получения
Использование: изобретение относится к новому битумному вяжущему, которое может использоваться для изготовления покрытий дорог, мостов, аэродромов и других строительных объектов, и способу его получения. Технический результат: битумное вяжущее обладает высокой адгезионной способностью к минеральным компонентам основного и кислого характера. Сущность изобретения: получен модифицированный битум при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 80,00-92,00; продукт полукоксования углей 8,00-20,00; гексаметилентетрамин 0,35-1,00 сверх 100%. В качестве продукта полукоксования углей предлагается использовать термическую фракцию >230°С смолы полукоксования углей. Модифицированный битум получают путем смешения исходного битума с продуктом полукоксования углей при температуре 110°С до получения однородной смеси, в которую вводят определенное количество гексаметилентетрамина, нагревают до 160°С и выдерживают при этой температуре в течение 30 мин, не прекращая перемешивания. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 табл.
Изобретения относятся к новому битумному вяжущему, которое может использоваться для изготовления покрытий дорог, мостов, аэродромов и других строительных объектов, и способу его получения.
Основной характеристикой битумного вяжущего является адгезионная способность вяжущего по отношению к минеральным материалам основной и кислой природы, определяющая, в частности, водостойкость асфальтобетонов и сцепление в составах для поверхностной обработки дорожных покрытий.
Нефтяные дорожные битумы, полученные по ГОСТ 22245-90, обладают низкими адгезионными свойствами, поэтому разрабатывают различные добавки для повышения этих свойств и способы модификации ими битумов.
Известно использование в качестве адгезионной добавки к битуму кубового остатка производства синтетических жирных кислот и их смесей с кубовыми остатками кислот хлопкового соапстока (А.С. СССР №1787994, опубл. 15. 01.93 г.). Однако применение этой добавки дает эффект только для карбонатных минеральных материалов.
Известно использование катионоактивной адгезионной присадки к битуму БП-3 - продукта взаимодействия кубовых остатков СЖК (фракции С21-С26) (кислотного компонента) с полиэтиленполиаминами (основным компонентом) (Кутьин Ю.А. и др. Рациональные направления производства дорожных битумов. Башкирский химический журнал, том 3, с.31). Битум, модифицированный присадкой такого типа, надежно сцепляется с поверхностью минеральных материалов кислого характера.
Недостатком этой присадки является слабое улучшение показателя сцепления с минеральными материалами основного характера.
Известен способ получения добавки к битуму путем смешения таллового масла и феноламинной смолы при соотношении соответственно, мас.% (71-83):(17-29), при температуре 120-180°С (патент РФ №2096370, опубл. 20.11.97).
Талловое масло является побочным техническим продуктом, получаемым в процессе производства целлюлозы сульфатным методом, а феноламинная смола является продуктом взаимодействия алкилфенолов и аминных соединений.
Недостатками этого решения являются следующие:
- получаемые добавки кардинально не улучшают адгезию битумного вяжущего к основным и кислым минеральным материалам;
- способ получения добавки сложен и энергоемок;
- кроме затрат энергии и времени на получение добавки дополнительно необходимы еще затраты на технологический процесс введения ее в битум.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является модифицирующая добавка к битуму и способ получения модифицированного битума, выбранные за прототип, в котором в качестве добавки в битум использован гексаметилентетрамин. Процесс проводят путем введения гексаметилентетрамина в количестве 1-2% в расплав предварительно окисленного битума с теплостойкостью 44-65°С. Смесь выдерживают в течение двух часов при температуре 160-180°С и охлаждают до температуры 100°С перед его использованием для защиты от коррозии трубопроводов нефтяных месторождений, в том числе по мокрой поверхности (патент РФ №2021309, опубл. 15.10.94).
Основными недостатками добавки, применяемой по этому способу, являются следующие:
- она, несколько улучшая адгезию битума к кислым минеральным материалам, не улучшает адгезию к основным минеральным материалам;
- при введении добавки увеличивается вязкость битумного вяжущего, что сказывается на уменьшении его пенетрации; уменьшение пенетрации ведет к ухудшению технологических свойств исходного битума, что существенно при производстве и применении асфальтобетона и составов для поверхностной обработки в определенных климатических условиях;
- при используемых технологических температурах (выше 105°С) гексаметилентетрамин разлагается с выделением газообразного формальдегида, что ухудшает экологическую обстановку.
Известно, что применение адгезионных добавок ведет к изменению реологических свойств битумов, т.е. изменяет технологические свойства исходных битумов, проявляясь, в частности, в изменении их вязкости и пенетрации (Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1980, с.36,37).
Задачей предлагаемых изобретений является разработка нового состава битумного вяжущего, добавка которого к битуму значительно улучшает его адгезионную способность к минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки дорожных покрытий и в тоже время не ухудшает его технологические характеристики, а также способ его получения.
Изобретение призвано получить универсальный модифицированный битум, проявляющий улучшенные адгезионные характеристики как к основным, так и к кислым минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки.
Поставленная задача решается путем добавления к исходному битуму продукта полукоксования углей и гексаметилентетрамина при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 80,00-92,00
Продукт полукоксования углей 8,00-20,00
Гексаметилентетрамин 0,35-1,00 (сверх 100%)
В качестве продукта полукоксования углей предлагается использовать термическую фракцию >230°С смолы полукоксования углей.
Заявляемые изобретения (вещество и способ его получения) связаны единым изобретательским замыслом, поскольку второе изобретение специально предназначено для получения первого.
Оба изобретения решают одну и ту же задачу с получением требуемого технического результата (повышение адгезионной способности модифицированного битума) и, следовательно, связаны единым изобретательским замыслом.
Способ осуществляют следующим способом.
В емкость для получения модифицированного битума помещают, например, 100 кг исходного битума, затем вводят туда 10 кг продукта полукоксования углей и перемешивают смесь до однородного состояния при температуре 110°С, в которую при этой температуре и непрерывном перемешивании добавляют 0,35 кг гексаметилентетрамина. Полученную смесь нагревают до температуры 160°С при непрерывном перемешивании и после получения гомогенной смеси выдерживают ее в течение 30 мин, не прекращая перемешивания.
Оценку адгезионной способности известных и вновь полученных модифицированных битумов проводили как в долях поверхности, так и в баллах. Методики, оценивающие адгезионную способность вяжущего в баллах, более объективны, т.к. учитывают фактор толщины адгезионной пленки и равномерность ее распределения по поверхности минерального материала. Оценку адгезионной способности в баллах производили по методике, основанной на опубликованных ранее, но несколько различающихся между собой методиках: а) методика, разработанная в Союздорнии (П.В. Сафронов, А.И. Лучкин. Дорожно-строительные материалы, Изд-во “Транспорт”, М., 1966 г., стр.135); б) методика, предлагаемая Горелышевым Н.В. и др. (“Справочник по дорожно-строительным материалам”, Изд-во “Транспорт”, 1972 г., стр.213).
Использованная методика заключается в следующем.
Отдельные частицы минерального материала (щебень, гравий) размерами не менее 10 мм высушивают до постоянного веса при температуре 105°С. Затем каждую частицу щебня или гравия привязывают на тонкую проволоку или нитку, нагревают в термостате в течение 1 ч при температуре 140-160°С и погружают в чашку с вяжущим, нагретым до этой же температуры, на 15 с. Извлеченные из вяжущего частицы подвешивают на штативе для стекания избытка вяжущего. После этого их охлаждают при температуре 20°С не менее 15 мин. Затем обработанные вяжущим частицы щебня или гравия опускают в стакан с кипящей (небурно) дистиллированной водой на 30 мин и силу сцепления вяжущего определяют по шкале, приведенной в табл. 1.
В качестве исходного битума использовали нефтяной дорожный битум БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90, т.к. он обладает оптимальными характеристиками для определенных климатических условий производства и эксплуатации асфальтобетонов и составов для поверхностной обработки дорожных покрытий на его основе.
В качестве добавок использовали гексаметилентетрамин технический по ГОСТ 1381-73 и температурную фракцию >230°С смолы полукоксования липтобиолитового угля по ТУ 2221-004-02067942-2002, представляющую собой жидкость с вязкостью 50-90 мм2 /с при 50°С.
Для оценки адгезионной способности модифицированного битума к основным и кислым минеральным материалам, входящим в состав асфальтобетонной смеси, и составов для поверхностной обработки, использовали мраморный и порфировый щебень соответственно.
Выбор в качестве добавки - термической фракции >230°С смолы полукоксования углей объясняется тем известным фактом, что низкотемпературные смолы (получаемые при полукоксовании) твердых горючих ископаемых лучше совмещаются с битумами, чем высокотемпературные (получаемые при коксовании) (Лысихина А.И. Поверхностно-активные добавки для повышения водоустойчивости дорожных покрытий с применением битумов и дегтей. М.: Автотрансиздат, 1959, 232 с.), и, кроме того, первые содержат в своем составе ПАВ кислого и основного состава, повышающие адгезионную способность.
Выбор термической фракции >230°С смолы полукоксования углей обусловлен также тем, что в этой фракции отсутствуют низкокипящие и легколетучие фенолы (оксибензолы, крезолы), поэтому, несмотря на достаточно высокие производственные температуры, получаются хорошо воспроизводимые результаты и не происходит загрязнения атмосферы.
В табл. 2 приведена зависимость адгезионной способности модифицированного битума и пенетрации от состава битумного вяжущего.
При отсутствии добавок исходный битум обладает низкой адгезионной способностью к минеральным материалам, особенно кислого характера (табл. 2, пример 1) и характеризуется пенетрацией при 25°С, равной 96×0,1 мм.
Введение в качестве добавки только гексаметилентетрамина не приводит к заметному улучшению адгезионной способности битума, но ухудшает его технологическую характеристику (табл. 2, примеры 2-4).
Введение в качестве добавки только продукта полукоксования углей приводит к незначительному улучшению адгезионной способности битума, но сильно изменяет его технологические характеристики, прежде всего пластификацию (табл. 2, примеры 5,6). Это сказывается на уменьшении вязкости битума, что проявляется в увеличении пенетрации. Существенного улучшения адгезионной способности модифицированного битума не происходит, несмотря на наличие в составе указанного продукта полукоксования углей веществ с функциональными гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами. Некоторое улучшение адгезионной способности описываемых смесей объясняется появлением небольшого количества веществ с активными концевыми функциональными группами (пример 6), но кардинального (т.е. не менее четырех баллов) улучшения адгезионной способности не происходит.
Только введение в систему битум - термическая фракция >230°С смолы полукоксования углей определенного количества гексаметилентетрамина приводит к существенному улучшению адгезионной способности получаемого таким образом модифицированного битума (табл. 2, примеры 8-15). Это объясняется следующим.
Продукт полукоксования углей играет роль структурирующей добавки вследствие наличия в нем полярных веществ с различными функциональными группами; однако это не приводит к разбалансированию структуры битума. При введении второй добавки - гексаметилентетрамина происходит образование в объеме фенолформальдегидных и феноламинных олигомеров. В результате адсорбционного взаимодействия образующихся олигомеров с асфальтенами нефтяного битума образуется новая дисперсная структура. Это подтверждается экспериментальным фактом появления у модифицированного битума эластичности при 0 и 25°С (30-35%), что совершенно нехарактерно для исходного битума, соответственно (2-4%). Проявление эластичности, свойства характерного для полимерных структур (например, для полимерно-битумных вяжущих), подтверждает образование полимерных молекул во впервые полученном модифицированном битуме.
В примере 9 (табл. 2) приведен оптимальный состав модифицированного битума, при котором достигается максимальное значение адгезионной способности для основных и кислых минеральных материалов при сохранении значения пенетрации исходного битума.
Экспериментально установлено, что введение термической фракции >230°С смолы полукоксования углей в количестве менее 8% не позволяет достигнуть кардинального повышения адгезионной способности битума и одновременно регулировать его технологические свойства (табл. 2, пример 7), введение же этой добавки более 20% экономически неэффективно, т.к. требует увеличения добавки гексаметилентетрамина для достижения тех же результатов. Величина же добавки гексаметилентетрамина определяется значениями пенетрации исходного битума, количеством введенного продукта полукоксования углей и требуемой пенетрации получаемого модифицированного битума.
Существенным отличительным признаком первого изобретения (вещества) является получение ранее не известного модифицированного битума, обладающего хорошей адгезионной способностью к основным и кислым минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки, который получают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 80,00-92,00
Продукт полукоксования углей 8,00-20,00
Гексаметилентетрамин 0,35-1,00 сверх 100%
Заявляемое техническое решение второго изобретения (способа) имеет следующие отличительные признаки:
- использование в качестве дополнительной добавки к битуму для его модификации с целью улучшения технологических характеристик в дополнении к гексаметилентетрамину продукта полукоксования угля;
- установление последовательности выполнения технологических операций при определенных параметрах получения модифицированного битума.
Способ позволяет варьировать обеими добавками для получения модифицированного битума с высокой адгезионной способностью к минеральным материалам разной природы при сохранении или даже улучшении технологических свойств исходного битума.
Указанные отличительные признаки не обнаружены заявителями в доступных источниках информации, следовательно заявляемые изобретения обладают новизной.
Отличительные признаки заявляемых изобретений в совокупности с известными приводят к появлению нового качества у модифицированного битума - улучшению его адгезионной способности к минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки основного и кислого характера. Наличие причинно-следственной связи отличительных признаков и достигаемого технического результата в заявляемом техническом решении свидетельствует о критерии “изобретательский уровень”.
Результаты проведенных исследований показывают возможность реализации заявляемых технических решений, приводящую к получению модифицированного битума со стабильными значениями адгезионной способности к минеральным материалам основной и кислой природы.
К преимуществам заявляемых изобретений относятся также:
- улучшение экологических условий производства и применения разработанного модифицированного битума;
- возможность варьирования обеими добавками для получения битумного вяжущего с заданной технологической характеристикой. 
Формула изобретения
1. Модифицированный битум, содержащий гексаметилентетрамин, отличающийся тем, что дополнительно содержит продукт полукоксования углей при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Битум 80,00-92,00
Продукт полукоксования углей 8,00-20,00
Гексаметилентетрамин сверх 100% 0,35-1,00
2. Модифицированный битум по п.1, отличающийся тем, что в качестве продукта полукоксования углей использована термическая фракция >230°С смолы полукоксования углей.
3. Способ получения модифицированного битума, отличающийся тем, что исходный битум смешивают с продуктом полукоксования углей при температуре 110°С до получения однородной смеси, в которую вводят определенное количество гексаметилентетрамина, с последующим ее нагреванием до 160°С и изотермической выдержкой смеси в течение 30 мин при непрерывном перемешивании.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при его осуществлении получают модифицированный битум при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 80,00-92,00
Продукт полукоксования углей 8,00-20,00
Гексаметилентетрамин сверх 100% 0,35-1,00
