Битумное вяжущее для дорожного покрытия

Изобретение относится к материалам, изменяющим физико-химические и механические свойства компонентов покрытий дорог, мостов и аэродромов. Битумное вяжущее для дорожного покрытия, содержащее смесь из битума, блоксополимера диена и стирола и добавки, в качестве битума содержит битум дорожный улучшенный марок БДУ 70/100 или БДУС 70/100, в качестве блоксополимера диена и стирола оно содержит Кратон Д 1101 М, а в качестве добавки - нефтяную фракцию, полученную прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания, характеризующуюся кинематической вязкостью при +50°С в пределах 65-85 сСт, температурой застывания ниже -18°С, при этом вяжущее характеризуется растяжимостью при +25°С более 70 см, эластичностью при +25°С более 70%, температурой размягчения более 65°С, вязкотекучим состоянием при 135°С. Достигается улучшение показателей физико-механических свойств битумного вяжущего для дорожного покрытия. 4 табл.

 

Настоящее изобретение относится к материалам и технологиям, изменяющим физико-химические и механические свойства компонентов покрытий дорог, мостов и аэродромов.

Известно битумное вяжущее для дорожного покрытия (См. Патент Р.Ф. №2038360, МПК С 08 L95/00, опубликован 27.06.95., Бюл. №18). Это известное битумное вяжущее содержит смесь из битума, блоксополимеров алкилдиена и стирола, а также добавки, в качестве которой использовано масло индустриальное, при этом упомянутые компоненты содержатся в следующем количестве, мас.%:

Битума	44,4-98,0
Блоксополимеры
алкилдиена и стирола	0,1-22,3
Масло индустриальное	1,9-33,3

При этом возможно в качестве блоксополимеров алкилдиена и стирола применять соединение, выбранное из группы, включающей блоксополимеры бутадиена и стирола или блоксополимеры изопрена и стирола. Возможны иные процентные соотношения упомянутых известных компонентов.

Это известное техническое решение выбирается в качестве прототипа. Такой выбор обусловлен тем, что известное битумное вяжущее является последней разработкой в данной теме и служит средством того же назначения, что и предлагаемое нами изобретение. Кроме того, оно имеет наибольшее число общих существенных признаков, которые совпадают с заявляемым изобретением. Однако это известное битумное вяжущее обладает существенными недостатками, а именно:

- низкой вязкостью при высоких и низких температурах, что обусловливает низкую сдвигоустойчивость дорожных покрытий;

- низкой растяжимостью, что обусловливает низкую деформативную способность полимерасфальтобетонов, полученных с использованием этого битумного вяжущего;

- низкой эластичностью - показателем, обусловливающим способность дорожного покрытия восстанавливаться после воздействия сдвиговых усилий на дорогах с высокой интенсивностью движения;

- использованием пластификатора - индустриального масла, который, облегчая процесс гомогенизации полимера в битуме, и в большей степени усложняет возможность получения полимерно-битумного вяжущего с заданным комплексом физико-механических свойств. Индустриальное масло ослабляет внутренние структуры битума и полимера, способствуя смешению этих компонентов, но вследствие обедненности полярными соединениями (что обусловлено технологией получения масла) одновременно препятствует взаимодействию полярных соединений, входящих в состав битума и полимера. Результатом рассогласовывающего действия индустриального масла является относительно низкая вязкость вяжущего при высокой температуре и как следствие низкая когезионная прочность его при температурах эксплуатации полимерасфальтобетона. Введение в состав полимерно-битумного вяжущего низкополярного пластифицирующего компонента - индустриального масла обусловливает низкую стабильность вяжущего при хранении (в отсутствии перемешивания вяжущее расслаивается при повышенной температуре в относительно короткие сроки - 1 сутки) и в условиях эксплуатации полимерно-битумного вяжущего в составе полимерасфальтобетона.

Кроме того, прототип обладает технологической сложностью в объединении указанных компонентов в единый материал, что приводит к рассогласованности структурообразующих элементов получаемого таким образам материала и во многом является причиной низких значений вязкости, растяжимости получаемого таким образом материала, а следовательно, и низкой деформативной способности его в условиях эксплуатации.

Деформационные свойства - основа эксплуатационных характеристик дорог. Эти свойства зависят от вязкости, растяжимости, теплостойкости и эластичности битумного вяжущего. Одновременное достижение высоких значений этих показателей для полимерно-битумных вяжущих весьма проблематично. Известно, что при введении полимера растяжимость битума снижается, но при этом появляются эластичные свойства.

Задачей настоящего технического решения является разрешение упомянутого противоречия путем поиска нового состава битумного вяжущего, в котором полимер органически увязывался бы с битумом, не имел бы упомянутых в прототипе недостатков, а по показателям физико-механических свойств значительно превышал бы вяжущее,. содержащееся в прототипе, и приближалось бы к качеству зарубежных материалов аналогичного назначения.

Задача решена тем, что битумное вяжущее для дорожного покрытия, содержащее смесь из битума, блоксополимера диена и стирола и добавки, в качестве битума оно содержит битум дорожный улучшенный марок БДУ 70/100 или БДУ С 70/100, в качестве блоксополимера диена и стирола оно содержит Кратон Д1101 М, а в качестве добавки - нефтяную фракцию, полученную прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания, характеризующуюся кинематической вязкостью при +50°С в пределах 65-85 сСт, температурой застывания ниже -18°С, при этом вяжущее характеризуется растяжимостью при +25°С более 70 см, эластичностью при +25°С более 70%, температурой размягчения более 65°С, вязкотекучим состоянием при 135°С.

Есть вариант развития этого технического решения, а именно когда в качестве блоксополимера диена и стирола применен блок-сополимер на основе стирола и бутадиена с содержанием стирола 28,5 - 32,5 мас.%, (например, Кратон Д1101, Кратон Д1190, Кратон Д1186) и другие аналогичные им (например, ДСТ-30).

Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получать битумное вяжущее, которое имеет деформационные свойства, соответствующие международным стандартам, в частности по показателям кинематической вязкости, растяжимости, эластичности, температуры размягчения. Кроме того, выбор блоксополимеров для конкретного битума с целью получения нового битумного вяжущего заметно упрощен. Это обусловлено тем, что предлагаемое битумное вяжущее имеет новый состав, в котором есть компонент, выполняющий функцию, ранее не встречающуюся в битумных вяжущих. Этой функцией является функция битумного преобразователя. Он изменяет, но не разрушает внутримолекулярные связи битума и полимера, одновременно строя из них соответствующую структуру объединенных битума и полимера.

Анализ научно-технической и патентной информации показал, что предлагаемое техническое решение не известно. Поэтому это изобретение обладает новизной.

Предлагаемым новым составом вяжущего решается создание битумного вящущего, обладающего более высокой надежностью в составе дорожного асфальто-бетонного покрытия за счет способности к эластическому восстановлению за более короткий промежуток времени (6 минут) по сравнению с прототипом (более 2 часов), и, как следствие снятию усталостных напряжений, возникающих в покрытиях, работающих в условиях высокой интенсивности движения транспортных средств.

Проектирование битумного вяжущего с заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств заключается не только в выборе исходного битума с конкретной пенетрацией, но и в подборе как типов полимеров, так и соответствующей добавки, в качестве которой в нашем случае использована соответствующая нефтяная фракция, выполняющая по отношению к битуму функцию преобразователя.

Предлагаемое битумное вяжущее имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из известного уровня техники. Однако отдельные существенные признаки известны в другой совокупности существенных признаков. Например, известно, что можно улучшить совместимость битума с полимером. Для этого надо использовать третий компонент, который хорошо совместим с битумом (см. Розенталь Д.А., Таболина Л.С., Федосова В.А. Модификация свойств битумов полимерными добавками; Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. - Обзорная информация. Серия: Переработка нефти. Выпуск: 1988 г., с.26).

В нашей случае эта задача решена нестандартно, а именно в результате экспериментов, проведенных авторами, было выявлено, что для связи битума с полимером может быть использовано третье вещество - битумный преобразователь из высокомолекулярного вещества, полученного при переработке нефти и близкого по своему составу и структуре к битуму и блоксополимерам алкилдиена и стирола. В частности, лучше всего для этого подходит нефтяная фракция, полученная прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания. Казалось бы, можно в качестве битумного преобразователя использовать любое высокомолекулярное вещество, соответствующее структурам битума и блоксополимерам. Например, известен полимерный модификатор, который органически вписывается в структуру битума, улучшая свойства соответствующей композиции, вводя в битум каучук. При этом полимерный модификатор находится в гелеообразном состоянии (См. патент РФ №2139899, МПК С 08 L 95/00, опубл. 20.10.99., Бюл. №29). Данный модификатор содержит каучук и адгезионный компонент. За счет последнего каучук диспергируется в битуме и закрепляется в нем, создавая новую модификацию битумной композиции. В нашем случае битумный преобразователь перестраивает обе структуры: и битума, и полимера, приводя их к единой общей взаимосогласованной структуре.

Нефтяная фракции, полученная прямой перегонкой средней по вязкости нефти, например, смеси западно-сибирских нефтей, способствует растворению блоксополимеров, но и приводит к разбалансировке структуры битума. Структура получающегося вяжущего, так же как и в случае использования индустриального масла, ослаблена из-за отсутствия внутренних взаимодействий битума и раствора полимера в нефтяном компоненте. Свидетельством низкой когезионной прочности, полученного в этом случае вяжущего, является не только низкая вязкость при 135°С, но и низкая растяжимость, эластичность при 25°С, невысокая теплостойкость.

Как показали эксперименты, выполненные авторами предлагаемого изобретения, только за счет преобразователя, которым в конкретном случае является нефтяная фракция, полученная прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания и характеризующаяся кинематической вязкостью при 50°С в пределах 65-85 сСт, температурой застывания ниже минус 18°С, можно получить когезионно прочное битумное вяжущее, обижающее заданным комплексом свойств и эксплуатационной надежностью. Следует указать на то, что отклонения от указанных параметров вязкости фракции дают отрицательный результат. Так, при кинематической вязкости нефтяной фракции менее 65 сСт достичь требуемого значению кинематической вязкости композиции при 135°С не удается, вследствие чего приготовленная и охлажденная полимерно-битумная композиция характеризуется недостаточной эластичностью. При кинематической вязкости нефтяной фракции более 85 сСт излучающееся вяжущее характеризуется недостаточной растяжимостью при 25°С.

Таким образом, предлагаемое битумное вяжущее имеет изобретательский уровень.

В нашем случае все компоненты загружают в емкость одновременно и перемешивают при температуре 175°С до требуемой вязкости. Кроме того, используют битумный преобразователь, получаемый при переработке нефти, который встречается в битумных вяжущих впервые и потому для специалиста является неожиданным, поскольку трудно указать, как с его помощью можно получить битумное вяжущее. Осуществление процесса перемешивания компонентов при температуре ниже 175°С приводит к получению вяжущего, характеризующегося низкой эластичностью, а при температуре выше 175°С - низкой растяжимостью.

В предлагаемом изобретении впервые встречается компонент - битумный преобразователь, с функцией, заключающейся в перестраивании структуры битума и полимера, объединении их в единую общую взаимоувязанную структуру. Такого механизма изменения структур битума и полимера одновременно не могут обеспечить ни пластификаторы, ни растворители, ни модификаторы, используемые в битумных вяжущих. Необходимо заметить, что Заявитель в качестве примера выбрал марки битума, в то время как в прототипе битум описан в общем виде. Это обусловлено тем, что битум БДУ 70/100 имеет ТУ38.1011356-91 "Битум нефтяной дорожный улучшенный БДУ". БДУС имеет ТУ 0256-096-00151807-97 "Битумы нетяные дорожные улучшенные из Западно-Сибирских нефтей". Эти битумы принципиально отличаются по физико-механическим свойствам от битумов марки БНД или БН, которые включены в ГОСТ 22245-90 "Битумы нефтяные дорожные вязкие". Они ранее были приведены и в книге "Нефтяные битумы" (Р.Б.Гун., М., Химия, 1989, с.4-9). Кроме того, отличие битумов марок ББД от марки БДУ (БДУС) характеризуется тем, что показатели растяжимости при +25°С, остаточной пенетрации битумы марок БНД после испытаний в динамических условиях по методике ASTMD 1754 или ASTMD 2872 не отвечают требованиям ТУ на БДУ и БДУС. Это и обуславливает более низкую эксплуатационную надежность битумов марок БНД в дорожном покрытии. Эластичность по заявленному изобретению - это способность к обратной деформации за не более 3 минут! По прототипу - за 2 и более часов!!! Поэтому прототип дает худший результат по устойчивости к разрушению в составе дорожного покрытия. Причем значения эластичности как в прототипе, так и в заявляемом изобретении в процентном значении могут даже совпадать.

Отмечаем также, что битум марки БДУ 70/100 и БДУС 70/100 характеризуются значением показателя пенетрации 70-100 единиц. В нашем случае мы сознательно использовали показатели битума одной марки из разных промышленных партий с разными фактическими значениями пенетрации, чтобы показать работоспособность заявленного технического решения.

Относительно блоксополимеров диена и стирола заметим, что есть ГОСТ Р 52056-2003 "Вяжущие полимеробитумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол". В нашем случае наилучший вариант в качестве блоксополимера диена и стирола применение блок-сополимера на основе стирола и бутадиена с содержанием стирола 28,5-32,5 мас.%, которым является KRATON D 1101, KRATON D 1190, KRATON D 1186 и другие аналогичные блоксополимеры на основе стирола и бутадиена, представляющие чистый линейный блок-сополимер. Это - схема типа S-B-S. Для нашего случая возможно применение ДСТ-30 и аналогичных марок, но указанный Кратон - наилучший вариант, как показали эксперименты.

Физико-механические свойства вяжущих, приготовленных в соответствии с рекомендациями прототипа с использованием полимера, например KRATON D1101 М Polymer (3 мас.%), индустриального масла (5 мас.%) и битумов разных марок (П₂₅=90 мм 10^-1), представлены в таблице 1. Приготовление вяжущих осуществляли способом, также рекомендуемым прототипом, а именно путем предварительного растворения полимера в индустриальном масле при температуре 105°С с последующим перемешиванием полимерно-масляной композиции с битумом при температуре 155°С до однородности.

Таблица 1
Наименование показателя	Свойства вяжущего, приготовленного с использованием индустриального масла (5% масс), полимера (3% масс) и битума марки:
	БДУС	БДУ
Глубина проникания иглы при 25°С, мм 10-1	87	91
Температура размягчения, °С	53	50
Растяжимость при 25°С, см	98	125
Эластичность при 25°С, %	40	33
Стабильность температуры размягчения, °С	31	29

Физико-механические свойства битумных вяжущих, приготовленных в соответствии с рекомендациями прототипа, т.е. с использованием индустриального масла (5 мас.%), товарных дорожных битумов (с глубиной проникания иглы при 25°С=90 мм 10^-1), полученных из разного по химическому составу нефтяного сырья, марок БДУ 70/100 и БДУС 70/100 (90 мас.%), при более высоком содержании полимера KRATON D1101 М Polymer (5 мас.%) представлены в таблице 2. Приготовление вяжущих осуществляли также способом, рекомендуемым прототипом.

Таблица 2
Наименование показателя	Свойства вяжущего, приготовленного с использованием индустриального мает (5% масс), полимера (5% масс) и битума марки:
	БДУС	БДУ
Глубина проникания иглы три 25°С, мм 10-1	69/67	81/80
Температура размягчения, °С	63/64	55/57
Растяжимость при 25°С, см	57/54	115/111
Эластичность при 25°С, %	59/55	53/49
Стабильность температуры размягчения, °С	30/32	29/30

Как видно из таблицы, полученные вяжущие термически не устойчивы, о чем свидетельствует различие значений показателя температуры размягчения верхнего и нижнего слоев вяжущего, выдержанного при температуре 160±0,5°С в течение 3 суток, достигающее 29 и 30°С при максимально допустимой зарубежными стандартами разнице в 25°С. Независимо от марки битума смешение его с полимером в присутствии индустриального масла не позволяет получить вяжущее с высокой эластичностью (более 70%), характеризующееся высокими значениями температуры размягчения (свыше 65°С). Для повышения эластичности, температуры размягчения необходимо увеличить содержание полимера (более 5 мас.%), однако это приведет к снижению растяжимости вяжущего при 25°С, в то время как для вяжущего, приготовленного на битуме марки БДУС, значение этого показателя уже слишком низкое.

Результаты испытания физико-механических характеристик полимерно-битумного вяжущего, приготовленного заявляемым способом в соответствии с вышеуказанной рецептурой (индустриальное масло - 5 мас.%, полимер - 5 мас.%, битумы марок БДУ 70/100 и БДУС 70/100), но путем одновременного перемешивания компонентов смеси при 175°С, приведены в таблице 1 (в знаменателе). Сопоставительный анализ свойств вяжущих, полученных по одной и той же рецептуре, но разными способами, показал, что для данного вида полимера способ приготовления полимерно-битумного вяжущего практически не сказывается на показателях его качества. В связи с тем, что требуемая однородность вяжущего достигается при одновременном перемешивании битума с пластификатором и полимером, ведение процесса в две стадии, как указано в прототипе, представляется нецелесообразным. Низкая устойчивость полимерно-битумных вяжущих, приготовленных на битумах разных марок (разной природы), обусловлена негативным воздействием введенного в состав вяжущего пластификатора - индустриального масла.

Показатели физико-механических свойств вяжущих, приготовленных путем одновременного перемешивания битумного преобразователя (в количестве 5 мас.% с кинематической вязкостью при 50°С - 68 сСт), полимера KRATON D1101 М Polymer (5 мас.%) и товарного дорожного битума марки БДУ 70/100 (П₂₅=90 мм 10^-1), использованного и для приготовления полимерно-битумных вяжущих, свойства которых приведены в таблице 1, представлены в таблице 3.

Таблица 3
Наименование показателя	Свойства вяжущего, содержащего 5% масс полимера и 5% масс битумного преобразователя
Глубина проникания иглы при 25°С, мм 10-1	87
Температура размягчения, °С	78
Растяжимость при 25°С, см	88
Эластичность при 25°С, %	85
Стабильность температуры размягчения, °С	21
Кинематическая вязкость при 135°С	1118

Как видно из таблицы, вяжущее, приготовленное с применением битумного преобразователя, термоустойчиво и характеризуется высокими значениями температуры размягчения, эластичности, растяжимости уже при содержании полимера в количестве 5 мас.% Учитывая тот факт, что это вяжущее отличается от вяжущего, приготовленного с использованием индустриального масла (таблица 2), только присутствием в рецептуре битумного преобразователя, можно утверждать, что именно за счет активного участия последнего в формировании структуры наблюдается принципиальное изменение свойств полимерно-битумного вяжущего, а полимер получает возможность в наибольшей степени реализовать присущие ему свойства в композиции.

Использование битумного преобразователя позволяет получать полимерно-битумные вяжущие с необходимым комплексом физико-механических свойств даже на менее пластичных битумах. Результаты испытания вяжущего, приготовленного на битуме марки БДУ 70/100 (П₂₅=74 мм 10^-1), полимере KRATON D1101 М Polymer (5% масс) и битумном преобразователе (кинематическая вязкость при +50°С - 74 сСт), представлены в таблице 4.

Таблица 4
Наименование показателя	Свойства вяжущего, содержащего 5% масс полимера и 2,5% масс битумного преобразователя
Глубина проникания иглы при 25°C, мм 10-l	55
Температура размягчения, °С	80
Растяжимость при 25°С, см	101
Эластичность при 25°С, %	72
Стабильность температуры размягчения, °С	20
Кинематическая вязкость	1670

Анализ показывает, что при снижении количества битумного преобразователя в рецептуре до 2,5 мас.% полимера и введении 5 мас.% полимера, получаемое вяжущее также обладает высокими значениями температуры размягчения, эластичности и растяжимости.

Необходимо отметить, что на настоящее время упомянутая в заявке нефтяная фракция не имеет товарной марки. Однако по показателям физико-механичеких свойств, которые приведены в настоящей заявке, завод спокойно и в достаточном количестве ее выделяет потребителю.

Стабильность температуры размягчения - способность битумного вяжущего, содержащего полимерную добавку, сохранять однородность при хранении при повышенной температуре в отсутствие перемешивания. Критерием стабильности является различие значения показателя температуры размягчения вяжущего в верхнем и нижнем слоях массы после выдерживания в течение 72 часов при температуре 165°С.

Температура хрупкости как битумов, так и его композиции с полимером определяется в большой степени количеством полимера. Чем его больше, тем ниже температура хрупкости. Уровень значения показателей температуры хрупкости для битумного вяжущего и прототипа одинаков.

Битумное вяжущее для дорожного покрытия, содержащее смесь из битума, блоксополимера диена и стирола и добавки, отличающееся тем, что в качестве битума оно содержит битум дорожный улучшенный марок БДУ 70/100 или БДУС 70/100, в качестве блоксополимера диена и стирола оно содержит Кратон Д 1101 М, а в качестве добавки - нефтяную фракцию, полученную прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания, характеризующуюся кинематической вязкостью при +50°С в пределах 65-85 сСт, температурой застывания ниже -18°С, при этом вяжущее характеризуется растяжимостью при +25°С более 70 см, эластичность при +25°С более 70%, температурой размягчения более 65°С, вязкотекучим состоянием при 135°С.