Вяжущее для дорожного строительства

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных покрытий. Технический результат: повышение температуры размягчения вяжущего, его эластичности, адгезии к минеральным материалам кислых пород, более длительное сохранение адгезионных свойств при повышенных температурах. Вяжущее для дорожного строительства включает, мас.%: нефтяной дорожный битум 95,5-97,7, катионный реагент - адгезионная добавка КАДЭМ-ВТ 0,3-0,5, вторичный полиэтилен 2,0-4,0. 4 табл.

 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд.

В этих целях широко используются вязкие дорожные битумы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 22245-90.

Выпускаемые нефтеперерабатывающими заводами вязкие дорожные битумы для использования в составе асфальтобетонных смесей, применяемых при строительстве и ремонте автомобильных дорог, не обладают свойствами эластичности, нередко не обеспечивают смесям необходимые прочностные показатели, особенно при 50°С, устойчивость их при повышенных и низких температурах и отличаются плохими адгезионными свойствами к минеральным материалам, особенно кислых пород.

С целью улучшения этих показателей в отечественной и зарубежной практике в последнее время широко используются битумы, модифицированные полимерными добавками. Однако, повышая прочностные показатели и температурную устойчивость асфальтобетонных смесей, полимерные добавки не улучшают сцепление вяжущего с минеральными материалами.

Основным недостатком нефтяных дорожных битумов и битумов с добавками полимеров является отсутствие у них «эластичности», продолжает оставаться низкая адгезия, плохое сцепление вяжущего с минеральными материалами, особенно кислых пород (гранитным щебнем, природным песком и т.п.), вследствие чего снижаются водостойкость, трещиностойкость покрытий и их сопротивляемость к воздействию динамических нагрузок.

Известна битумная композиция для ремонта влажного асфальтобетонного покрытия (см. патент RU (11) 2152963 (13) G2, кл. 7 С08L 95/00, С04В 26/26, Е01С 23/06), включающая катионное поверхностно-активное вещество, ускоритель формирования композиции и жидкий битум. Битумная композиция улучшает сцепление даже с влажным минеральным материалом (до 4-5%) как кислых, так и основных пород, позволяет расширить сезон дорожных ремонтных работ. Однако недостатком композиции является значительный расход катионного ПАВ (1,5-3%) и незначительное улучшение (на 4-5%) сцепления с минеральными материалами.

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является применение поверхностно-активного вещества «БИКОР» на основе алифатических кислот и азотсодержащих соединений в качестве адгезионной добавки, улучшающей адгезию битума к кислым горным породам (патент RU (11) 2101249 (13) CL, G С04В 26/26, С08L 95/00, С08К 5/20, 5/3445, 5/3462).

Недостатком битумного вяжущего с использованием поверхностно-активного вещества «БИКОР» являются его невысокие адгезионные свойства. При введении в битум ПАВ «БИКОР» в количестве 0,4% от массы битума сцепление битума с гранитом выдерживает только по контрольному образцу №3 (см. табл.4), при содержании его в количестве до 1,0% - по контрольному образцу №2 (там же) с гранитом и кварцевым песком, и лишь при содержании «БИКОР» более 1,5%, сцепление с этими материалами соответствует контрольному образцу №1 (там же). Кроме того, добавка «БИКОР» вводится в битум при температуре не выше 150°С, что в ряде случает является недостаточным, особенно при использовании в вяжущем полимерных добавок. В этих случаях желательно, чтобы адгезивы, используемые в составе ПБВ (полимерно-битумное вяжущее) имели бы более высокую температуроустойчивость и в процессе приготовления могли быть нагреты в составе ПБВ до 160°-180°С.

Заявляемое изобретение решает следующую техническую задачу: улучшение адгезии битума к кислым породам, придание битумному вяжущему свойств эластичности (понижение циклической усталости асфальтобетонов при умеренных и низких отрицательных температурах), повышение температурной устойчивости вяжущего (диапазона температур введения ПАВ и времени устойчивости ПАВ в этих условиях), а также повышение коэффициента водостойкости и прочностных характеристик асфальтобетонных смесей с использованием в составе вяжущего комплексного модификатора.

Сущность изобретения состоит в том, что вяжущее для дорожного строительства, включающее нефтяной дорожный битум и катионный реагент, дополнительно содержит полимерную структурирующую добавку - вторичный полиэтилен, а в качестве катионного реагента - адгезионную добавку КАДЭМ-ВТ, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной дорожный вязкий битум	95,5-97,7
Вторичный полиэтилен	2,0-4,0
Катионный реагент КАДЭМ-ВТ	0,3-0,5

Введение вторичного полиэтилена как низкого, так и высокого давления, в сочетании с КАДЭМ-ВТ (реагента, представляющего собой смесь алкиламидополиаминов и алкилимидазолинполиаминов) в состав дорожного битума позволяет создать вяжущее с лучшими структурными свойствами, обладающее эластичностью, повышенной температурой размягчения, обеспечивающей снижение циклической усталости полимерасфальтобетонов при умеренных и низких отрицательных температурах и высокими адгезионными свойствами по сравнению с исходным дорожным битумом БНД 60/90. Температура размягчения вяжущего повышается на 6-8°С, битумное вяжущее приобретает свойство эластичности, которое достигает значений 84-94%, у исходного битума это свойство отсутствует. Наряду с этим, вяжущее за счет введения адгезионной добавки КАДЭМ-ВТ приобретает повышенное сцепление с минеральными материалами кислых пород.

В присутствии поверхностно-активного вещества КАДЭМ-ВТ вторичный полиэтилен равномерно распределяется в битуме, образуя гомогенное пластично-эластичное вяжущее с повышенными адгезионными свойствами.

Использование в составе вяжущего комплексной добавки, включающей КАДЭМ-ВТ (катионный адгезив-эмульгатор высокотемпературный) и вторичный полиэтилен, обеспечивает вяжущему новое свойство - «эластичность», температурную устойчивость вяжущего с добавкой по сравнению с вяжущими, приготовленными с использованием других аминных ПАВ. Температура введения ПАВ КАДЭМ-ВТ в битумное вяжущее, содержащее вторичный полиэтилен, может быть увеличена до 180°С. Как правило, использование других известных ПАВ требует понижения температуры вяжущего градусов на десять и температура вяжущего с адгезионной добавкой обычно не должна превышать 140-150°С. Причем полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), содержащее КАДЭМ-ВТ и вторичный полиэтилен может сохранять свои высокие адгезионные свойства длительное время и при повышенных температурах: при 180°С в течение 6 часов, при 140°С - 25 часов, что несвойственно другим адгезивам.

Асфальтобетонные смеси, приготовленные с использованием предлагаемой композиции вяжущего (битум, модифицированный вторичным полиэтиленом и КАДЭМ-ВТ), обладают улучшенными прочностными показателями, повышенным коэффициентом водостойкости и трещиностойкостью.

Водонасыщение при этом уменьшается от 2,86 до 2,21, коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении повышается от 0,66 до 0,82, предел прочности при сжатии повышается от 1,35 до 1,96 МПа (на 45%).

Анализ известных технологических решений показал, что применение в составе вяжущих поверхностно-активного вещества КАДЭМ-ВТ известно. Известно также приготовление вяжущего с использованием полимерных компонентов и, в частности, вторичного полиэтилена. Однако применение для модифицирования вяжущего вторичного полиэтилена в комплексном сочетании с высокотемпературным ПАВ КАДЭМ-ВТ, обеспечивает в заявляемом решении новые свойства: упрощенную технологию приготовления температуроустойчивого полимерно-битумного вяжущего с повышенными адгезионными свойствами и эластичностью, высокими физико-механическими показателями и широким диапазоном температур введения ПАВ (до 180°С), чего не достигается при использовании других ПАВ аминного типа. Полученное комплексное модифицированное вяжущее обладает улучшенными структурными свойствами, высокой эластичностью, достигающей 86-84% (исходное вяжущее не имеет эластичности), повышенной температурой размягчения (на 6-8°С), что особенно важно для южных регионов РФ. Показатель «предел прочности на сжатие» при 50°С асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием разработанной композиции вяжущего, повышается до 45% (от 1,35 до 1,96 МПа).

Проявленное вяжущим новое свойство эластичности (см. таблицу 4) благотворно сказывается на циклической усталости асфальтополимербетонов при умеренных и низких отрицательных температурах (Золотарев В.А. О показателях качества битумов, модифицированных полимерами - Киiв, 2006 - (Збiрник науковых статей); вып.5; с.200-221). Добавка КАДЭМ-ВТ, будучи соединением аминного типа, снижает термоокислительные процессы и фотодеструкцию, протекающие во вторичном полиэтилене и в целом в вяжущем. Использование в битумном вяжущем только полиэтилена или вторичного его продукта не обеспечивает эти свойства. Наличие в битуме КАДЭМ-ВТ в отсутствие полиэтилена улучшает только его адгезионные свойства. Комплексное сочетание этих двух компонентов (вторичного полиэтилена и КАДЭМ-ВТ) обеспечивает вяжущему улучшение отмеченных показателей.

Характеристика исходных материалов

1. Битум. В работе использовался вязкий нефтяной дорожный битум БНД 60/90, наиболее часто используемый при приготовлении асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий. В таблице 1 приведены физико-механические показатели вяжущего.

2. Катионный реагент КАДЭМ-ВТ изготавливается в соответствии с техническими условиями ТУ 2482-009-04706205-03. Реагент КАДЭМ-ВТ представляет собой смесь алкиламидополиаминов и алкилимидазолинполиаминов, полученных на основе кислот C₁₆-C₂₀ растительного и (или) животного происхождения.

Структурные формулы:

алкиламидополиамины -

алкилимидазолинполиамины -

КАДЭМ-ВТ не растворяется в воде, хорошо растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле), керосине, в нефтепродуктах.

Органометрические и физико-механические показатели добавки КАДЭМ-ВТ приведены в таблице 2.

Таблица 1 Физико-механические показатели битума БНД 60/90
Пенетрация, 0,1 мм при	Растяжимость, см, при	Температура °С	Интервал пластичности	Прилипаемость
25°С	0°С	25°С	0°С	размягчения	хрупкости	к песку	к мрамору
74,0	26,0	>100	4,9	48	-19	67	Не выдерживает
образец №3	образец №2
Таблица 2 Физико-механические и органометрические показатели реагента КАДЭМ-ВТ
№ п/п	Наименование показателей	Норма по ТУ 2482-009-04706205-03	Значение показателя
1	2	3	4
1	Внешний вид при 20°С	от жидкого до пастообразного состояния	Вязкая жидкость
2	Температура застывания 0°С, не более	30
3	Плотность при 20°С, г/см3	0,935-0,955	0,946
4	Аминное число, мг-экв/г	1,4	1,5
5	Кислотное число, мг-экв/г, не более	0,2	0,15
6	Температура вспышки в закрытом тигле	185-195°С	194
7	Потери массы продукта при выдерживании в пенетрационной чашке слоем 1,75 см (половина чашки) в течение 5 ч при 170°С, % не более	8	6

3. Вторичный полиэтилен ПЭ

Использован полиэтилен низкой плотности (пленка сельскохозяйственного назначения, бывшая в употреблении) и полиэтилен высокой плотности (упаковочный материал). В таблице 3 приведены его основные физико-химические характеристики.

Таблица 3 Физико-механические свойства использованного в работе вторичного полиэтилена (ПЭ)
Показатель	Значение
1. Предел прочности при растяжении, МПа	9,7
2. Относительное удлинение при разрыве, %	165
3. Морозостойкость	45

Вторичный полиэтилен как низкой, так и высокой степени плотности сохраняет достаточно высокие прочностные и деформационные показатели и может использоваться в качестве упрочняющей добавки асфальтобетона (Бонченко Г.А. Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером - М.: Машиностроение, 1994 - 176 с.).

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены 5 вариантов составов смесей ингредиентов (см. табл.4).

В качестве битума использовался нефтяной вязкий дорожный битум БНД 60/90, в качестве комплексной добавки использовался катионный реагент КАДЭМ-ВТ и вторичный полиэтилен. Вторичный полиэтилен предварительно смешивался в соотношении 1:1 с битумом при постоянном перемешивании при температуре 150-160°С в течение 10 минут на лабораторной мешалке до получения однородной консистенции смеси. При этом битум подавался на разогретый полиэтилен. Затем полученная композиция вводилась в основное количество вяжущего (с учетом битума, введенного с полиэтиленом) и добавлялась адгезионная добавка КАДЭМ-ВТ. Полученный состав компонентов перемешивался в течение 5-10 минут до получения гомогенного состава вяжущего, которое испытывалось в соответствии с ГОСТ 11501-11512. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 4.

Из данных таблицы 4 следует, что вяжущее, полученное на основе нефтяных вязких дорожных битумов, модифицированное комплексной добавкой ПАВ - КАДЭМ-ВТ в сочетании с вторичным полиэтиленом удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90 на битумы нефтяные дорожные вязкие и обладает более высокими показателями свойств, такими как температура размягчения, эластичность, адгезия к минеральным материалам кислых пород, и более длительным сохранением этих свойств при повышенных температурах, что особенно важно при проведении дорожностроительных работ по сравнению с прототипом.

Использование предлагаемого изобретения позволяет:

- повысить качество асфальтобетона при высоких температурах;

- повысить адгезию вяжущего к минеральным материалам кислых пород, как при использовании битума без полимерных добавок, так и в их присутствии;

- получить вяжущее с высоким показателем «эластичность»;

- расширить температурный диапазон приготовления и использования вяжущих с адгезионными добавками;

- продлить срок службы дорожных покрытий.

Вяжущее для дорожного строительства, включающее нефтяной дорожный вязкий битум и катионный реагент, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полимерную структурирующую добавку - вторичный полиэтилен, а в качестве катионного реагента - адгезионную добавку КАДЭМ-ВТ, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной дорожный вязкий битум	95,5-97,7
Вторичный полиэтилен	2,0-4,0
Катионный реагент КАДЭМ-ВТ	0,3-0,5