Полимерно-битумное вяжущее и способ его получения
Использование: изобретение относится к новому полимерно-битумному вяжущему, которое может использоваться для изготовления покрытий дорог, мостов, аэродромов и других строительных объектов, и способу его получения. Технический результат: вяжущее обладает высокой адгезионной способностью к минеральным материалам основного и кислого характера. Сущность изобретения: получено полимерно-битумное вяжущее, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 54,0 - 88,0, блоксополимеры бутадиена и стирола 2,0 - 6,0, продукт полукоксования углей 10,0 - 40,0, гексаметилентетрамин 0,1 - 2,0 сверх 100%. В качестве продукта полукоксования углей используют термическую фракцию >230°С смолы полукоксования углей. Полимерно-битумное вяжущее получают следующим способом. Сначала получают смесь продукта полукоксования углей с блоксополимером бутадиена и стирола при температуре 80°С, выдерживают ее в течение двух часов и нагревают при перемешивании до 120°С, затем в полученную смесь подают битум, нагретый до температуры 110°С, и, продолжая перемешивание, вводят гексаметилентетрамин при температуре 110°С, после чего температуру смеси повышают до 160°С и перемешивают при этой температуре в течение 0,5 часа. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретения относятся к материалам, используемым при строительстве дорог, мостов, аэродромов и т.п., а именно к полимерно-битумному вяжущему (ПБВ) для дорожного покрытия и способу его получения.
Любые вяжущие для асфальтобетонов, в том числе и полимерно-битумные вяжущие, должны обладать хорошей адгезией к минеральным материалам, используемым в данной полимерасфальтобетонной смеси или в составах для поверхностной обработки, чтобы обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без разрушения и шелушения. Известно, что разработанные в РФ полимерно-битумные вяжущие на основе сополимеров бутадиена и стирола (СБС) обладают очень низкой адгезионной способностью к кислым минеральным материалам [Полимерно-битумные вяжущие материалы для дорожного строительства. Обзорная информация. Информавтодор государственной службы дорожного хозяйства министерства транспорта РФ, вып.4, -М., 2002, с.: 63, 67, 69, 76, 77; таблицы: 17, 20, 21, 24, 25].
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является битумное вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения [патент РФ №2038360, опубл. 27.06.95], выбранные за прототип, по которому битумное вяжущее содержит смесь из битума, блоксополимеров алкадиена и стирола, а также добавку, в качестве которой использовано масло индустриальное; при этом упомянутые компоненты содержатся в следующем количестве, мас.%:
Битум 44,4-98,0
Блоксополимеры алкадиена и стирола 0,1-22,3
Масло индустриальное 1,9-33,3
При этом возможно в качестве блоксополимеров алкадиена и стирола применять соединение, выбранное из группы, включающей блоксополимеры бутадиена и стирола или блоксополимеры изопрена и стирола. Возможны иные процентные соотношения упомянутых известных компонентов.
Основным недостатком битумного вяжущего, получаемого по этому способу, является низкая адгезионная способность к минеральным материалам дорожного покрытия кислой природы.
Это вызвано использованием в качестве добавки низкополярного пластификатора - индустриального масла, которое облегчает процесс гомогенизации полимеров в битуме, но ослабляет внутренние структуры битума и полимера из-за обедненности полярными соединениями.
Способ получения известного по прототипу битумного вяжущего для дорожного покрытия включает двухстадийный процесс: блоксополимер алкадиена и стирола в количестве 0,1-22,3 мас.% смешивают при температуре 110-160°С с 1,9-33,3 мас.% индустриального масла; после этого полученную смесь при перемешивании вводят при 110-160°С в 44,4-98,0 мас.% битума.
Основными недостатками способа получения битумного вяжущего по прототипу являются следующие:
- способ не дает возможности варьировать одним или двумя компонентами для получения вяжущего с заданными свойствами, а также для корректировки состава после его хранения;
- при данной технологии возникают технологические трудности при дозировании и транспортировке по трубопроводам отдельно приготовленного высоковязкого раствора блоксополимера бутадиена и стирола в индустриальном масле.
Задачей предлагаемых изобретений является разработка нового полимерно-битумного вяжущего на основе СБС с высокой адгезионной способностью к минеральным материалам и основной, и кислой природы, а также способ его получения.
Поставленная задача решается тем, что в известном битумном вяжущем для дорожного покрытия вместо индустриального масла используется продукт полукоксования углей, а именно термическая фракция >230°С смолы полукоксования углей, и дополнительно в качестве структурирующей добавки применяется гексаметилентетрамин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 54,0-88,0
Блоксополимеры
бутадиена и стирола 2,0-6,0
Продукт полукоксования углей 10,0-40,0
Гексаметилентетрамин 0,1-2,0 Сверх 100%
Заявляемые изобретения (вещество и способ его получения) связаны единым изобретательским замыслом, поскольку второе изобретение специально предназначено для получения первого.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получать полимерно-битумное вяжущее, которое наряду с хорошими физико-механическими показателями, в частности, температурой размягчения, температурой хрупкости, интервалом работоспособности, эластичностью, характеризуется и высокой адгезионной способностью к минеральным материалам как основной, так и кислой природы.
Способ осуществляют следующим способом.
В битумоплавильный котел, оснащенный механической лопастной мешалкой, подают необходимое количество температурной фракции >230°С смолы полукоксования углей, нагретой до температуры 80°С. Затем загружают туда дозированное количество блоксополимера бутадиена и стирола в виде порошка или гранул, выдерживают при указанной температуре не менее 2 часов для набухания и далее перемешивают смесь при нагревании до температуры 120°С до однородного состояния. После этого при непрерывном перемешивании подают битум, нагретый до температуры 110°С, продолжают перемешивание до получения однородной смеси. Затем в полученную смесь вводят небольшими порциями рассчитанное количество порошкообразного гексаметилентетрамина при температуре 110°С и перемешивании для получения однородной смеси, после чего температуру медленно повышают до 160°С и перемешивают в течение 0,5 часа.
Оценку адгезионной способности известных и вновь полученных полимерно-битумных вяжущих производили в баллах по методике, разработанной в Союздорнии [П.В. Сафронов, А.И. Лучкин. Дорожно-строительные материалы, М., Транспорт, 1966 г., с. 135].
Для оценки адгезионной способности полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) к основным и кислым минеральным материалам использовали мраморный и порфировый щебень, соответственно.
Преимущества предлагаемого изобретения - нового полимерно-битумного вяжущего, получаемого предложенным способом, можно просмотреть на конкретных примерах. В них для получения ПБВ по настоящему изобретению использовали нефтяной дорожный битум по ГОСТ 22245-90 с глубиной проникания иглы (40-300)х0,1 мм, в качестве блоксополимера бутадиена и стирола - дивинилстирольный термоэластопласт марки ДСТ-30Р-01 по ТУ 38.40327-98 (ДСТ), в качестве термической фракции >230°С смолы полукоксования углей -термическую фракцию >230°С смолы полукоксования липтобиолитового угля по ТУ 2221-004-02067942-2002, представляющую собой жидкость с вязкостью 50-120 мм2/с при 50°С, гексаметилентетрамин технический по ГОСТ 1381-73.
Выбор в качестве добавки - термической фракции >230°С смолы полукоксования углей объясняется тем известным фактом, что низкотемпературные смолы твердых горючих ископаемых (получаемые в процессе полукоксования) лучше совмещаются с битумами, чем высокотемпературные (получаемые в процессе коксования) [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 вяжущего.
Выбор в качестве добавки термической фракции >230°С смолы полукоксования углей (состоящей из ароматических соединений) объясняется также желанием заменить индустриальное масло (состоящее в основном из алифатических соединений) на вещество, состоящее из ароматических соединений, т.к. известно, что ароматические соединения, какими являются блоксополимеры бутадиена и стирола, ограниченно растворяются в алифатических соединениях, а также тем, что в этой фракции отсутствуют низкокипящие и легколетучие фенолы (оксибензолы, крезолы), поэтому, несмотря на высокие производственные температуры, получаются хорошо воспроизводимые результаты и не происходит загрязнения атмосферы.
Выбор второй добавки - гексаметилентетрамина обусловлен тем, что она, взаимодействуя с термической фракцией >230°С смолы полукоксования углей и с блоксополимером бутадиена и стирола, образует олигомеры с активными концевыми функциональными группами (гидроксильными, карбоксильными, карбонильными и аминными), ответственными за адгезионную способность к минеральным материалам любой природы. В этом смысле гексаметилентетрамин является структурирующей добавкой к смеси, содержащей блоксополимеры бутадиена и стирола и термической фракции >230°С смолы полукоксования углей.
Количество битума определяется количеством введенных в смесь остальных компонентов.
В таблице показана зависимость адгезионных и других физико-механических свойств полимерно-битумного вяжущего в зависимости от его состава.
Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в примерах 1-3 таблицы, показывают, что оптимальные количества вводимого в композицию блоксополимера бутадиена и стирола равны значениям, указанным в формуле изобретения. При этом адгезионная способность вяжущего и к кислым, и к основным материалам дорожного покрытия остается наилучшей и равна 5 баллам.
При содержании в полимерно-битумном вяжущем ДСТ менее 2% не создается полимерная пространственная сетка, обеспечивающая повышенные физико-механические показатели вяжущего, что видно из примера 4 (эластичность композиции резко упала). Содержание ДСТ в количестве более 6% экономически нерентабельно.
Примеры 5-7 иллюстрируют зависимость адгезионной способности вяжущего от количества введенного продукта полукоксования углей. Оптимальные количества соответствуют 10-40 мас.%. Содержание продукта полукоксования углей менее 10% не дает возможности достаточно хорошо диспергировать минимальное количество ДСТ и создать необходимый пластифицирующий эффект; добавление его более 40% нецелесообразно из-за создания излишне высокопластифицирующего эффекта.
Как показывают примеры 7-9 таблицы, оптимальное количество гексаме-тилентетрамина находится в интервале 0,1-2,0 (сверх 100%). Количеством гексаметилентетрамина регулируют технологический показатель вяжущего (пенетрацию), адгезионную способность и в определенной степени температуру размягчения и хрупкости. Поэтому количество гексаметилентетрамина в композиции определяется количеством и соотношением остальных трех компонентов вяжущего и заданным значением технологического параметра - пенетрации. Поэтому, в основном, подбирают такое количество пластификатора - продукта полукоксования углей, чтобы количество гексаметилентетрамина находилось в указанном в формуле интервале концентраций.
Приведенные в таблице данные (пример 10) показывают преимущество полученного по настоящему изобретению вяжущего в адгезионной способности к кислым минеральным материалам по сравнению с прототипом; при этом существенное улучшение адгезионной способности происходит при сохранении основных физико-механических показателей полимерно-битумного вяжущего.
Использование в качестве добавок к системе битум - блоксополимер бутадиена и стирола термической фракции >230°С смолы полукоксования углей и гексаметилентетрамина обеспечило образование в такой многокомпонентной системе олигомеров с несколькими концевыми функциональными гидроксильными, карбоксильными, карбонильными группами. Специфическая адсорбция таких олигомеров на поверхности минеральных материалов любой природы поверхности (и основной, и кислой) характеризуется большой энергией адсорбционного взаимодействия, которая дополняется еще и достаточно большой энергией дисперсионного взаимодействия, определяемой сравнительно большими размерами молекул образующихся олигомеров. В итоге молекулярных взаимодействий в полученной многокомпонентной системе получается взаимосогласованная структура, имеющая высокую адгезионную способность к минеральным материалам наряду с хорошими физико-механическими показателями.
Кроме того, введение в состав заявляемого полимерно-битумного вяжущего продукта полукоксования углей и гексаметилентетрамина обеспечивает возможность регулировать физико-механические и технологические характеристики вяжущего и получать композицию с заранее заданными показателями. Это важно в производственных условиях и для корректировки состава композиции при получении вяжущего и для корректировки состава после хранения. Последнее особенно актуально в случае именно полимерно-битумного вяжущего, т.к. у него более всего выражено изменение свойств (особенно технологической характеристики - пенетрации) в процессе хранения из-за “старения” полимеров.
Существенным отличительным признаком первого изобретения (вещества) является получение ранее не известного полимерно-битумного вяжущего, обладающего хорошей адгезионной способностью к основным и к кислым минеральным компонентам полимерасфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки, который получают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 54,0-88,0
Блоксополимеры бутадиена и стирола 2,0-6,0
Продукт полукоксования углей 10,0-40,0
Гексаметилентетрамин 0,1-2,0 Сверх 100%
Заявляемое техническое решение второго изобретения (способа) имеет следующие отличительные признаки:
- использование в качестве дополнительных компонентов к битуму и сополимеру бутадиена и стирола вместо индустриального масла термической фракции >230°С смолы полукоксования углей и гексаметилентетрамина с целью улучшения адгезионной способности получаемого полимерно-битумного вяжущего к минеральным материалам разной природы;
- установление последовательности выполнения технологических операций при определенных параметрах получения полимерно-битумного вяжущего.
Указанные отличительные признаки не обнаружены заявителями в доступных источниках информации.
Отличительные признаки заявляемых изобретений в совокупности с известными приводят к появлению нового качества у полимерно-битумного вяжущего - улучшению его адгезионной способности к минеральным компонентам дорожного покрытия основного и кислого характера.
Результаты проведенных исследований показывают возможность реализации заявляемых технических решений, приводящую к получению полимерно-битумного вяжущего необходимой технологической марки со стабильными значениями адгезионной способности к минеральным материалам основной и кислой природы и высокими физико-механическими показателями.
Результаты даны в таблице.
Формула изобретения
1. Полимерно-битумное вяжущее, содержащее битум и блоксополимеры бутадиена и стирола, отличающееся тем, что оно содержит продукт полукоксования углей и гексаметилентетрамин при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 54,0 - 88,0
Блоксополимеры
бутадиена и стирола 2,0 - 6,0
Продукт полукоксования углей 10,0 - 40,0
Гексаметилентетрамин 0,1- 2,0 сверх 100%
2. Полимерно-битумное вяжущее по п.1, отличающееся тем, что в качестве продукта полукоксования углей использована термическая фракция >230°С смолы полукоксования углей.
3. Способ получения полимерно-битумного вяжущего, отличающийся тем, что получают смесь продукта полукоксования углей с блоксополимером бутадиена и стирола при температуре 80°С, выдерживают ее в течение двух часов и нагревают при перемешивании до температуры 120°С, затем в полученную смесь подают битум, нагретый до температуры 110°С и, продолжая перемешивание, вводят гексаметилентетрамин при температуре 110°С, после чего температуру смеси повышают до 160°С и перемешивают при этой температуре в течение 0,5 ч.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при его осуществлении получают полимерно-битумное вяжущее при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 54,0 - 88,0
Блоксополимеры
бутадиена и стирола 2,0 - 6,0
Продукт полукоксования углей 10,0 - 40,0
Гексаметилентетрамин 0,1- 2,0 сверх 100%
