Способ получения полимерно-битумной композиции

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, а именно к способам создания полимерно-битумных композиций с повышенной адгезией к минеральным материалам асфальтобетонных смесей, которые могут быть использованы в дорожном и аэродромном строительстве. Технический результат: увеличение адгезионной способности вяжущего в асфальтобетонных смесях для дорожного строительства, повышение температуры размягчения, а также утилизация полимерных отходов. Способ приготовления полимерно-битумной композиции включает введение измельченного полимера в вяжущее при нагревании до рабочей температуры и перемешивании, причем в качестве полимера используют отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин, охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 мас.% от вяжущего. 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, а именно к способам создания полимерно-битумных композиций с повышенной адгезией к минеральным материалам асфальтобетонных смесей, которые могут быть использованы в дорожном и аэродромном строительстве.

Уровень техники

Известен способ приготовления битумной композиции для дорожного строительства (RU №2152964, кл. C 08 L 95/00, С 04 В 26/26, 2000.07.20), включающей битум, этилен-пропилен(диен)овый каучук, полиолефин и пластификатор - экстракт селективной очистки масляных фракций нефти с кинематической вязкостью при 100°С 35-40 мм²/с и плотностью при 20°С 0,96-0,98 г/см² при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Битум 70,0-97,0

Этилен-пропилен (диен)овый каучук 0,480-11,760

Полиолефин 0,012-2,40

Пластификатор 1,80-24,00

Известный способ заключается в перемешивании до однородного состояния нагретых до температуры 100°С компонентов в смесительной емкости в течение 60 мин. при температуре 180°С. Готовую смесь подают в другую емкость (асфальтосмеситель Тельтомат) для смешения с нефтяным битумом марки БНД 60/90 или БНД 90/130, нагретым до 180°С, с дальнейшим перемешиванием в течение 20 мин.

Недостатком известного способа является большое количество компонентов и высокое требование к точной их дозировке в процессе производства полимерно-битумной композиции. Кроме того, используется сложное, герметично закрытое оборудование, в котором происходит перемешивание с битумом во избежание ухудшения свойств последнего при нагревании до 180°С за счет испарения легких фракций под воздействием высокой температуры и кислорода воздуха.

Известен также способ получения полимерно-битумного вяжущего (RU №2152964, кл. C 08 L 95/00, С 04 В 26/26, 2000.07.20), включающий введение в битум термоэластопласта и пластификатора при перемешивании. При этом вяжущее дополнительно содержит азотсодержащее поверхностно-активное вещество в количестве 0,5-2,0% от массы битума при следующей последовательности приготовления вяжущего: азотсодержащее поверхностно-активное вещество вводят в битум, нагретый до рабочей температуры 165-175°С, или, если оно является твердым, полутвердым или пастообразным, то его смешивают с частью пластификатора до получения жидкой смеси и в таком виде вводят в битум, затем осуществляют введение термоэластопласта в гранулированном виде с последующим перемешиванием, после чего вводят пластификатор или оставшуюся его часть и перемешивают до однородного состояния.

Недостатком этого способа является применение дорогостоящих ПАВ для повышения адгезионных свойств и облегчения процесса приготовления получаемого полимерно-битумного вяжущего, что в свою очередь приводит к значительному удорожанию конечного продукта, т.е. полимерно-битумной композиции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату относится способ получения вяжущего для дорожного строительства (RU №2128632, кл. С 04 В 26/26, C 08 L 95/00, 1999.04.10), включающий введение измельченного полимера-полистирола в вяжущее в виде измельченного продукта при нагревании до рабочей температуры и перемешивании. При этом полистирол, измельченный до 0,01-1,0 мм, предварительно опудривают минеральным порошком и вводят в разогретое до рабочей температуры 120-140°С битумное вяжущее, перемешивание осуществляют в течение 3-10 мин при следующем содержании компонентов, мас.%:

Битумное вяжущее 24,8-35,1

Полистирол 3,9-11,1

Минеральный порошок 53,8-71,3

Недостатками известного способа являются невозможность достичь требуемой гомогенности полимерно-битумной композиции из-за применения полистирола с размером частиц 0,01-1,0 мм и, как следствие, ухудшение качества асфальтобетонного покрытия. Кроме того, композиция, полученная известным способом, имеет невысокие адгезионные, реологические свойства и низкую эластичность, а введение операции опудривания частиц полистирола минеральным порошком усложняет технологический процесс.

Сущность изобретения

Задачей создания изобретения является разработка способа получения полимерно-битумной композиции с высокими адгезионными и реологическими свойствами, а также хорошей эластичностью с одновременным упрощенной и доступной технологией ее приготовления. Кроме того, одной из задач создания изобретения является утилизация отходов производства полиэтилентерефталата и использованных емкостей для хранения напитков.

Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления полимерно-битумной композиции, включающем введение измельченного полимера в вяжущее при нагревании до рабочей температуры и перемешивании, согласно изобретению в качестве полимера использовали отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин, охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 мас.% от вяжущего. При этом в качестве отходов полиэтилентерефталата применяют использованные емкости для хранения напитков и/или бракованный производственный гранулят. Охлаждение расплава полиэтилентерефталата проводят в течение 10-15 минут в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета. Твердый расплав высушивают в термошкафу при температуре 75-100°С в течение 30-45 мин, после чего его измельчают на шаровой, конусной или центробежной мельнице и разделяют на фракции. Введение полимера в вяжущее производят при рабочей температуре вяжущего, при этом перемешивание ведут в течение 15-60 мин.

Нижний предел температурного интервала - 260°С - обусловлен началом плавления твердого полимера, а при температуре свыше 280°С в расплаве начинаются процессы термической деструкции. Полное превращение в жидкую фазу наступает не менее чем через 15-20 мин, поэтому уменьшение времени нагрева не обеспечивает полного расплавления, а увеличение времени нецелесообразно. Расплав представляет собой бесцветную вязкую жидкость. Температурный интервал проведения термической деструкции от 295 до 315°С обусловлен тем, что только при температуре 295°С начинает протекать процесс термодеструкции, а превышение температуры свыше 315°С нецелесообразно ввиду резкого ухудшения свойств полиэтилентерефталата. Повышение температур 295-315°С в течение 25-35 мин не вызывает резкого ухудшения свойств полиэтилентерефталата, а превышение времени повышения температуры неэффективно ввиду экономии энергетических и временных затрат. Выдерживание расплава при температуре 295-315°С в течение 30-32 мин позволяет достичь требуемого количества функциональных групп в полимере, превышение временного предела выдерживания отрицательно отражается на свойствах полиэтилентерефталата.

Для предотвращения кристаллизации полимера при охлаждении, что будет проявляться в виде образования трудноизмельчаемой фазы, охлаждение полиэтилентерефталата проводили в течение 10-15 мин (указанное время достаточно для полного охлаждения расплава) в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета. Сушка расплава в термошкафу при температуре ниже 75°С неэффективна ввиду увеличения времени сушки, а повышение температуры больше 100°С неэффективно ввиду экономии тепловой энергии нагрева. Временной интервал сушки расплава в течение 30-45 мин обеспечивает более качественную сушку до постоянной массы.

Введение порошка полиэтилентерефталата менее 1,0 мас.% от вяжущего не приводит к видимым улучшениям свойств композиции, а превышение предела в 5,0 мас.% от вяжущего экономически неэффективно ввиду сохранения технологических показателей на достаточно постоянном уровне.

Порошок с размером частиц от 0,001 до 0,071 мм вводили в разогретый до рабочей температуры битум и перемешивали. За рабочую температуру принята температура расплавленного битума 120-160°С. Повышение температуры битума свыше 160°С приводит к ухудшению свойств из-за испарения легких фракций.

Время непрерывного перемешивания составляло от 15 до 60 мин до получения однородного состояния. Снижение времени перемешивания ниже 15 мин не приводит к необходимой гомогенности (однородности) композиции, превышение времени перемешивания свыше 60 мин неэффективно ввиду избыточных трудовых и временных затрат.

Размер частиц порошка полиэтилентерефталата влияет на гомогенность получаемой композиции, при этом при уменьшении размера частицы меньше чем 0,001 мм усложняется само получение порошка, а при увеличении размера частиц больше чем 0,071 мм возможно его оседание на рабочих органах перемешивающих устройств. Выбранный диапазон размера частиц полимера позволяет достичь заявленных результатов.

Однородность определяли визуально с помощью стеклянной палочки, которую погружали в горячее ПБВ. Смесь считалась однородной, если после извлечения палочки из ПВБ смесь битума с полимером стекла с палочки равномерна. Комочки или заметные крупинки на поверхности палочки указывали на недостаточную однородность смеси.

Необходимость визуальной однородности смеси обусловлена стандартом на полимерно-битумные вяжущие ОСТ 218.010-98 Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа СБС.

При добавлении измельченного в порошок продукта переработки полиэтилентерефталата к битуму наблюдается некоторый рост температуры размягчения, что свидетельствует о повышении теплостойкости модифицированного битума и позволяет снизить вероятность образования колей, волн и сдвигов на автодорожных покрытиях при высоких летних температурах. Кроме того, введение порошка переработки полиэтилентерефталата в состав битумного вяжущего положительным образом сказывается на его адгезионных свойствах и значительно повышает их, что позволяет прогнозировать повышение водостойкости и асфальтобетонных покрытий при их эксплуатации. Кроме того, наблюдается повышение однородности получаемого вяжущего, без изменения технологии приготовления асфальтобетонных смесей на основе получаемого полимерно-битумного вяжущего, и появляются высокие показатели эластичности, не наблюдаемые у нефтяных битумов.

Пример 1

Полимер - отходы полиэтилентерефталата - использованные емкости для хранения напитков - подвергли плавлению при 270°С. Гомогенизация наступила примерно через 15 мин, расплав представлял собой бесцветную вязкую жидкость.

Температуру расплава повышали до 300°С в течение 25 мин и выдерживали на воздухе в течение 30 минут.

Охлаждение полиэтилентерефталата проводили в течение 10 мин в охлаждающей воде с температурой 20°С до получения твердого расплава кремового цвета. Расплав высушивали в термошкафу при температуре 100°С в течение 40 мин до получения сухого полимера.

Полученный расплав предварительно измельчали на крупные куски и высушивали. Затем проводили измельчение при помощи центробежной мельницы. Измельченный полимер рассеивали на фракции на вибросите. Для приготовления использовали фракцию с дисперсностью от 0,001 до 0,071 мм.

Порошок с размером частиц от 0,001 до 0,071 мм в количестве 3 мас.% вводили в разогретый до температуры 130°С битум и перемешивали. Время непрерывного перемешивания составляло 20 мин до получения однородного состояния.

Результаты исследований приведены в табл.1 и 2, где даны свойства полимерно-битумного вяжущего, модифицированного отходами переработанного полиэтилентерефталата.

Промышленная применимость

Способ приготовления полимерно-битумной композиции осуществлялся экспериментально-опытным путем в лабораторных условиях. Указанный способ может быть реализован на нефтеперерабатывающих предприятиях, битумных базах и асфальтобетонных заводах без внедрения нового оборудования с применением стандартного оборудования при включении дозатора для добавления порошка полимера в битум.

Таблица 1 Свойства полимерно-битумного вяжущего, модифицированного отходами переработанного полиэтилентерефталата в количестве 3 мас.%
Наименование показателей	Полимерно-битумное вяжущее с содержанием порошка полимера в количестве, мас.% от вяжущего
3
1. Глубина проникания иглы, 0,1
мм	108
при 25°С	27
при 0°С
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С	42
3. Растяжимость, см
при 25°С	60
при 0°С	7,1
4. Сцепление с мрамором или песком (адгезия)	Выдерживает по образцу №1 (отслоение битумной пленки менее 1/4 площади покрытия)
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С	2,5
6. Однородность	Однородно
7. Эластичность при температуре +25°С	85

Таблица 2 Свойства полимерно-битумного вяжущего, модифицированного отходами переработанного полиэтилентерефталата
Наименование показателей	Битум исходный БНД 90/130	Полимерно-битумное вяжущее с содержанием порошка полимера в количестве, мас.% от вяжущего
3	4	5
2. Глубина проникания иглы, 0,1 мм
при 25°С	104	108	95	105
при 0°С	29	27	28	27
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С	40	42	42	43
3. Растяжимость, см
при 25°С	70	60	55	53
при 0°С	6,7	7,1	6,4	5,7
4. Сцепление с мрамором или песком (адгезия)	Выдерживает по образцу №3 (отслоение битумной пленки более чем на 3/4 площади покрытия)	Выдерживает по образцу №1 (отслоение битумной пленки менее 1/4 площади покрытия)
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С	3,0	2,5	2,5	2,0
6. Однородность	-	Однородно
7. Эластичность при температуре +25°С	-	85	87	90,5

1. Способ приготовления полимерно-битумной композиции, включающий введение измельченного полимера в вяжущее при нагревании до рабочей температуры и перемешивании, отличающийся тем, что в качестве полимера используют отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин, охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 мас.% от вяжущего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходов полиэтилентерефталата применяют использованные емкости для хранения напитков и/или бракованный производственный гранулят.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение полиэтилентерефталата проводят в течение 10-15 мин в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердый расплав высушивают в термошкафу при температуре 75-100°С в течение 30-45 мин.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что высушенный твердый расплав измельчают на шаровой, конусной или центробежной мельнице, после чего разделяют на фракции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение полимера в вяжущее производят при рабочей температуре вяжущего, а перемешивание ведут в течение 15-60 мин.