Битумно-полимерная композиция и способ ее получения
Владельцы патента RU 2258721:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Космос" (RU)
Группа изобретений относится к области композиционных строительных материалов, которые могут быть использованы в дорожном строительстве при устройстве асфальтобетонных покрытий дорог, аэродромов и мостов. Сущность: битумно-полимерная композиция содержит, мас.%: дивинилстирольный термоэластопласт 1,0-5,0; пластификатор 1,0-20,0; антиоксидант 0,05-5,0 и битум до 100. Способ получения композиции включает стадии и режимы стадий смешения исходных компонентов композиции. Технический результат: получение композиции с устойчивыми эксплуатационными физико-химическими характеристиками и снижение времени ее получения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Группа изобретений относится к области композиционных строительных материалов, а именно, к способам получения и составам битумно-полимерных вяжущих, которые могут быть использованы в дорожном строительстве при устройстве асфальтобетонных покрытий дорог, аэродромов и мостов, в качестве битумно-полимерных композиций для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений.
Одним из основных вяжущих материалов при строительстве таких объектов, как аэродромы, мосты и автомобильные дороги, является битум.
Для увеличения срока службы битумосодержащих композиций, а также улучшения таких его характеристик, как эластичность при низких температурах, сопротивление деформациям, например, колееобразование на асфальтобетонных покрытиях, производят модификацию битума полимерами, в частности, термоэластопластичными каучуками. В настоящее время продолжаются исследования по введению в битум различных добавок (качество и количество), а также по определению режимов и последовательностей их введения.
Известна битумно-полимерная композиция - вяжущее для дорожных покрытий - которое получают путем введения в битум при 80-200°С и непрерывном перемешивании дивинилстирольных блоксополимеров, относящихся к полимерам класса термоэластопластов, типа ДСТ (дивинилстирольный термоэластопласт), выпускающимся в России, или СБС (стирол-бутадиен-стирол), выпускающимся за рубежом. Дивинилстирольные блоксополимеры вводят в количестве 0,1-10% от массы битума в виде 5-25%-ного раствора в легких растворителях /SU, авторское свидетельство №272881, C 08 L 95/00, 1968 г./.
Недостатком этой композиции является использование при ее производстве легких растворителей, что повышает пожароопасность процесса. Кроме того, в процессе применения битумно-полимерной композиции при высоких (более 140°С) температурах легкие растворители испаряются, что приводит к непредсказуемым изменениям свойств покрытий.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой группе изобретений является битумное вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения, включающий введение при перемешивании в битум блоксополимера алкадиена и стирола, при этом, до введения в битум блоксополимер в количестве 0,1-22,3 мас.% смешивают при 80-160°С с 1,9-33,3 мас.% пластификатора (масла индустриального), затем полученную смесь вводят при 100-160°С в битум /RU, патент №2038360, C 08 L 95/00, 1995 г./.
Недостатком известного способа получения битумно-полимерной композиции является нарастание термоокислительной деструкции блоксополимера при перемешивании исходных компонентов, что приводит к увеличению расхода полимера для достижения высоких эксплуатационных характеристик готового продукта, а также к увеличению длительности производственного цикла.
Основным компонентом предлагаемой битумно-полимерной композиции является вязкий дорожный битум, имеющий различные качественные характеристики даже в пределах одной конкретной марки битума, что усложняет подбор качественных и количественных характеристик остальных компонентов композиции, а также последовательности и режимов их перемешивания.
Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей битумно-полимерных композиций и получение продуктов с устойчивыми эксплуатационными физико-механическими характеристиками.
Технический результат заключается в сокращении времени производства композиции с высокими эксплуатационными свойствами.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что битумно-полимерная композиция, содержащая битум, дивинилстирольный термоэластопласт и пластификатор, дополнительно содержит антиоксидант при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| дивинилстирольный термоэластопласт | 1,0-5,0 |
| пластификатор | 1,0-20,0 |
| антиоксидант | 0,05-5,0 |
| битум | до 100, |
при этом в качестве антиоксиданта предпочтительно использовать полиэтилсилоксановую жидкость.
Технический результат достигается также за счет того, что в способе получения битумно-полимерной композиции, включающем смешивание компонентов - битума, дивинилстирольного термоэластопласта и пластификатора, исходное количество битума делят на две части, первую часть 10-60% от исходного количества предварительно нагретого битума с температурой не ниже 90°С, смешивают с пластификатором с использованием высокооборотной мешалки в течение 10-30 мин, полученную смесь догревают до 110°С и вводят дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант с последующей обработкой на оборудовании с высоким напряжением сдвига при одновременном нагревании до 140-165°С, полученную битумно-полимерную смесь вводят во вторую часть 40-90% от исходного количества битума и диспергируют до получения однородной массы, затем отбирают пробу на однородность.
Способ получения битумно-полимерной композиции осуществляют следующим образом.
Для приготовления битумно-полимерной композиции могут использовать:
- в качестве битума - различные марки битумов, например битумы нефтяные дорожные вязкие марок БНД 60/90; БНД 40/60; БНД 90/130 - ГОСТ 22245-90;
- в качестве дивинилстирольного термоэластопласта - полимер линейного строения - ДСТ-30-01 по ТУ 38.103267-80 или разветвленного строения - ДСТ-30Р-01 по ТУ 38.40327-98, а также полимеры импортного производства типа SBS (СБС) с соотношением стирол/бутадиен 30/70 и средним молекулярным весом MW 230000 (см. патент 2103290) и пр.;
- в качестве пластификатора - индустриальное масло марки И-20А, И-30А, И-40А по ГОСТ 20799-88 или вакуумный газойль низкозастывающий по ТУ 38.401-58-62-93;
- в качестве антиоксиданта - полиэтилсилоксановую жидкость ПЭС-3 или ПЭС-5 по ГОСТ 13004-77 «Жидкости кремнийорганические ПЭС -1, 2, 3, 4, 5» или агидол-1 технический (торговое название - ионол) по ТУ 38.5901237 с изм.1, 2.
Исходное количество битума делят на две части и помещают в два реактора: 10-60% битума помещают в первый реактор, а остальное количество - во второй. В первом реакторе с обогревающей рубашкой и высокооборотной мешалкой битум нагревают до температуры не ниже 90°С, что обусловлено характеристиками перекачивающих битум насосов, и вводят пластификатор (индустриальное масло или вакуум-газойль) при скорости вращения мешалки 150-300 об/мин в течение 10-30 мин, после чего, полученную смесь догревают до 110°С, вводят в нее дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант, нагревают до 140-165°С и перекачивают во второй реактор, содержащий остальное количество исходного битума и снабженный мешалкой, путем пропускания через оборудование с высоким напряжением сдвига, например, коллоидную мельницу. Введение антиоксиданта одновременно с дивинилстирольным термоэластопластом позволяет повысить процесс стабилизации битумно-полимерной композиции, за счет снижения термоокислительной деструкции битума и блоксополимера. Предпочтительно в качестве антиоксиданта использовать полиэтилсилоксан (ПЭС), поскольку он экологически безопасен и при работе с разогретой до 140-165°С битумно-полимерной композицией или горячей асфальтобетонной смесью он не выделяет опасных для здоровья человека продуктов. Во втором реакторе смесь диспергируют перемешиванием до получения однородной массы с помощью мешалки и пропусканием через оборудование с высоким напряжением сдвига, а затем производят отбор пробы на однородность. Если тест на однородность пройден, то отбирают пробу для определения качества полученного продукта - пенетрации, растяжимости и эластичности, а также температур размягчения и хрупкости. Полученную битумно-полимерную композицию отвозят потребителю или производят корректировку состава ее исходных компонентов с рециркуляцией битумно-полимерной композиции на оборудование с высоким напряжением сдвига или непосредственно на смешение со второй частью исходного количества битума.
Разброс в свойствах битумного сырья даже в пределах одной марки битума диктует необходимость до проведения выходного контроля определять характеристики готового продукта на предмет исправления рецептуры до тех пор, пока все показатели не будут соответствовать нормам ГОСТа.
Авторам не известны состав и способ получения битумно-полимерной композиции, аналогичные предложенным, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенных решений критерию «новизна».
Битумно-полимерные вяжущие испытывают в соответствии с ГОСТ Р 52056-2003.
Пример 1. В реактор объемом 10 куб.м загружают 5,6 т битума БНД 90/130 с температурой 100°С, что составляет 20% от расчетного количества битума. Оставшийся битум в количестве 22,4 т загружают параллельно в реактор емкостью 40 куб. м. В реактор объемом 10 куб.м при включенных обогреве и мешалке загружают пластификатор в количестве 2,1 т и полученную смесь догревают до 110°С, затем загружают дивинилстирольный термоэластопласт в количестве 1,05 т и антиоксидант ПЭС-5 в количестве 140 кг и перемешивают в течение 15 мин со скоростью вращения мешалки 200 об/мин для распределения полимера в объеме реактора. Все процессы ведут с контролем температуры, не допуская ее повышения выше 165°С. Далее содержимое реактора емкостью 10 куб.м (битумно-полимерную смесь) через оборудование с высоким напряжением сдвига (коллоидную мельницу) перегружают в реактор емкостью 40 куб.м, где диспергируют в битуме, путем перемешивания мешалкой со скоростью вращения 50 об/мин, а также путем пропускания содержимого реактора в рецикле «сам на себя» через коллоидную мельницу при температуре не выше 165°С и не ниже 140°С в течение 40 мин. После чего отбирают пробу на однородность.
Суммарное время смешения компонентов композиции до однородного состояния (для выпуска партии объемом около 30 т) составляет 55 мин, для выпуска однородной партии такого же объема в условиях прототипа по воспроизведенным авторами данным необходимо около 3 час.
Примеры 2, 3 и 4 воспроизведены в условиях Примера 1, но отличаются количеством и компонентами сырья. Рецептуры полимерно-битумной композиции приведены в Таблице 1.
Введение в процессе получения битумно-полимерной композиции антиоксиданта одновременно с дивинилстирольным термоэластопластом позволяет снизить термоокислительную деструкцию битума и блоксополимера, что приводит к получению битумно-полимерной композиции со стабильными эксплуатационными характеристиками.
Эксплуатационные характеристики готового продукта, полученного по примерам 1-4, а также в условиях прототипа по воспроизведенным авторами данным, приведены в Таблице 2.
Таким образом, получение предложенным способом битумно-полимерной композиции заявленного состава позволяет получить высококачественный однородный продукт, который может быть с успехом использован для производства асфальтобетонного покрытия дорог, аэродромов и мостов, битумных эмульсий, кровельных материалов, и позволяет сократить расход дорогостоящего термоэластопласта при одновременном сокращении времени получения битумно-полимерной композиции.
| Таблица 1. | ||||||
| Рецептуры полимерно-битумной композиции. | ||||||
| № | Компоненты | Количество, мас. % | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| 1. | БНД 60/90 | 94,95 | 70 | |||
| 2. | БНД 90/130 | 89,5 | 93,3 | |||
| 3. | И-30А | 4,0 | 20,0 | |||
| 4. | Вакуумный газойль низкозастывающий марки Б | 6,7 | 1,0 | |||
| 5. | ДСТ 30р-01 | 3.35 | 5,0 | |||
| 6. | ДСТ 30-01 | 1,0 | 3,7 | |||
| 7. | ПЭС 5 | 0.45 | 0,05 | |||
| 8. | ПЭС 3 | 5,0 | 2,0 | |||
| Таблица 2 | ||||||
| Эксплуатационные характеристики готового продукта | ||||||
| №примера | Наименование характеристики | |||||
| До прогрева | после прогрева* | |||||
| Т разм., °С | Т хруп., °С | Эластич. при 0°С, % | Т разм., °С. | Т хруп. °С | Эластич. при 0°С, % | |
| По прототипу | 60 | -22 | 45 | 66 | -17 | 35 |
| 1. | 60 | -28 | 76 | 62 | -27 | 76 |
| 2. | 54 | -24 | 65 | 52 | -24 | 65 |
| 3. | 87 | -39 | 88 | 86 | -38 | 86 |
| 4. | 74 | -32 | 85 | 74 | -31 | 85 |
| *прогрев производился по ГОСТ 18180 «Битумы нефтяные. Метод определения изменения массы после прогрева». |
1. Битумно-полимерная композиция, содержащая битум, дивинилстирольный термоэластопласт и пластификатор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит антиоксидант при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| дивинилстирольный термоэластопласт | 1,0-5,0 |
| пластификатор | 1,0-20,0 |
| антиоксидант | 0,05-5,0 |
| битум | до 100 |
2. Битумно-полимерная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве антиоксиданта используют полиэтилсилоксановую жидкость.
3. Способ получения битумно-полимерной композиции, включающий смешивание компонентов - битума, дивинилстирольного термоэластопласта и пластификатора, отличающийся тем, что исходное количество битума делят на две части, первую часть 10-60% от исходного количества предварительно нагретого битума с температурой не ниже 90°С смешивают с пластификатором с использованием высокоскоростной мешалки в течение 10-30 мин, полученную смесь догревают до 110°С и вводят дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант с последующей обработкой на оборудовании с высоким напряжением сдвига при одновременном нагревании до 140-165°С, полученную битумно-полимерную смесь вводят во вторую часть 40-90% от исходного количества битума и диспергируют до получения однородной массы, затем отбирают пробу на однородность.
