Полимерный модификатор битума
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, к получению модификатора для полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном и гражданском строительстве для устройства дорог, герметизации швов автодорожного полотна, аэродромов, спортивных площадок; устройства кровли и гидроизоляции строительных конструкций, а также мостовых сооружений; в лакокрасочной промышленности. Изобретением является полимерный модификатор битума, отличающийся тем, что в качестве полимера содержит нефтеполимерную смолу и сополимер этилена с винилацетатом, в качестве растворителя и дополнительно пластификатора - масло растительное при следующем соотношении компонентов, мас.%: смола нефтеполимерная 20-80; сополимер этилена с винилацетатом 10-30; масло растительное 10-50. Изобретение также касается способа получения битумно-полимерных вяжущих, обладающих улучшенными показателями теплостойкости и упругодеформационными свойствами. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, к получению модификатора для полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном и гражданском строительстве для устройства дорог, герметизации швов автодорожного полотна, аэродромов, спортивных площадок; устройства кровли и гидроизоляции строительных конструкций, а также мостовых сооружений; в лакокрасочной промышленности.
Известна композиция (патент RU №2266934, C08L 95/00, опубл. 27.12.2005), включающая в качестве резиносодержащего полимерного модификатора битум, полиэтилен, резиновую крошку, в качестве пластифицирующей добавки мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительную, при этом используется вторичный полиэтилен как низкого, так и высокого давления. Основным недостатком получения данного резиносодержащего полимерного модификатора битума является высокая продолжительность его приготовления при высоких температурах: ввод в битум резиновой крошки, смешанной с известью строительной, производится при температуре 160°С в течение 3-4 часов для достижения максимальной степени набухания крошки. Как известно, нагрев битума при таких высоких температурах в течение столь длительного времени приводит к деструкции битумного вяжущего, что влечет ухудшение эксплутационных свойств мастичного материала. К тому же такой технологический режим является очень дорогостоящим по энергозатратам.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является полимерный модификатор битума (патент RU №2158742, C08L 95/00, C08L 95/00, C08L 9:00, C08L 17:00, C08L 23:16, опубл. 10.11.2000 г., прототип), включающий битум, полидиеновый каучук, полимер этилена или сополимер этилена с пропиленом, минеральное масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Битум БНД 60/90 или 90/130 | 50-80 |
| Резиновая крошка | 10-25 |
| Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-3 | 1-5 |
| Сополимер этилена с пропиленом или полиэтилен | |
| высокого давления ПЭВД | 1-10 |
| Масло минеральное (соляровое, индустриальное | |
| масло И-8А, нафтапласт) | 1-15 |
При введении в битум известного полимерного модификатора битума (прототипа) получаемые мастики обладают относительно низкими значениями температуры размягчения, что не соответствует требованиям материалов, применяемых для устройства кровельного ковра и аэродромных битумных покрытий. Кроме того, изобретение было отнесено к получению модификатора для битумно-полимерных вяжущих (БПВ), применяемых в дорожном и гражданском строительстве для покрытия дорог, аэродромов, спортивных площадок, кровли. Однако ряд физико-химических показателей, а именно теплостойкость, температура гибкости на стержне R=25 мм, адгезия как к минеральной части, так и к бетонной поверхности, водопоглощение и некоторые другие, не приведены, а значит, полного соответствия БПВ с применением известного модификатора требованиям вышеперечисленных покрытий не достигается, что является существенным недостатком. Еще одним недостатком является использование относительно большого количества (до 15%) различных синтетических каучуков, что значительно удорожает себестоимость модификатора. Также существенным недостатком является достаточно сложная, энергозатратная, дорогостоящая технологическая схема и высокая продолжительность приготовления (около 2 ч) данного модификатора (прототипа) при высоких температурах (до 250°С), что приводит к деструкции битумного вяжущего, как следствие, к ухудшению эксплутационных свойств мастичного материала и дополнительно появляется отрицательное влияние на экологию окружающей среды.
Задачей изобретения является создание полимерного модификатора битума для приготовления битумно-полимерных вяжущих, используемых при устройстве и ремонте дорожного полотна и устройстве кровельного ковра различных сооружений, в том числе мостовых и в лакокрасочной промышленности, обладающих улучшенными показателями теплостойкости, упругодеформационными свойствами и увеличенным сроком службы кровельного, гидроизоляционного покрытия и мастики для ремонта дорожного полотна на базе более доступных компонентов и их меньшего количества при более высокой технологичности получения модификатора и повышении экологичности производства модификатора и БПВ с его содержанием.
Поставленная задача решается созданием:
1. Полимерного модификатора битума, отличающегося тем, что в качестве полимера содержит нефтеполимерную смолу и сополимер этилена с винилацетатом, в качестве растворителя и дополнительно пластификатора - масло растительное при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Смола нефтеполимерная | 20-80 |
| Сополимер этилена с винилацетатом | 10-30 |
| Масло растительное | 10-50 |
2. По п.1, отличающийся тем, что в качестве масла растительного используют масла рапсовые, жирные кислоты таллового масла (ЖКТМ), дистиллированное талловое масло (ДТМ).
3. Способ получения битумно-полимерных вяжущих, используемых при ремонте дорожного полотна и устройстве кровельного и гидроизоляционного ковра различных сооружений, в том числе мостовых сооружений, при получении битумных лакокрасочных материалов, включающий смешение битума, полимерного модификатора (ПМ) и, возможно, наполнителя, отличающийся тем, что в качестве ПМ используют полимерный модификатор по п.1 и дополнительно введенное растительное масло в следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Битум | 70,0-98,7 |
| Нефтеполимерная смола | 0,5-10,0 |
| Сополимер этилена с винилацетатом | 0,3-5,0 |
| Масло растительное (общее количество) | 0,5-10,0 |
| Наполнитель | 0,0-5,0 |
4. По п.3, отличающийся тем, что в качестве битума используют битумы нефтяные строительные марки БН 90/10, БН 70/30, или битумы нефтяные дорожные марки БНД 60/90, БНД 90/130, или вторично использованный битум (ВИБ).
5. По п.3, отличающийся тем, что в качестве наполнителя могут быть использованы тальк, доломит, отходы катализатора или любое неорганическое соединение, содержащее металлы переменной валентности (Со, Mn, Pb, Ni, Cu, Fe, Cd, Cr, Zn, Ca, Mg).
В качестве битума нефтяного строительного БН 90/10, БН 70/30, битума нефтяного дорожного БНД 60/90, БНД 90/130 используются соответствующие марки битумов по ГОСТ 6617-76 и по ГОСТ 22245-90 соответственно или другим стандартам, имеющим качество не меньшее, чем в приведенных ГОСТ; а в состав применяемого вторично использованного битума входили следующие изношенные компоненты, мас.%: битум нефтяной кровельный по ГОСТ 9548 59-68, тальк 22-24, песок для строительных работ по ГОСТ 8736 2-4, стеклоизол 8-13.
В качестве растительного масла могут использоваться масла рапсовые по ГОСТ 8988-77, ГОСТ 8808-91, ГОСТ 8807-94, ГОСТ 8988-2002, которые вырабатываются путем прессования и экстракции семян рапса, жирные кислоты таллового масла (ЖКТМ) по ГОСТ 14845-79, дистиллированное талловое масло (ДТМ) по ТУ 13-4000177-26-84.
В качестве нефтеполимерной смолы может использоваться, например, смола синтетическая нефтеполимерная по ТУ 2451-089-05766801-99 - конечный продукт процесса инициированной и каталитической полимеризации стиролсодержащих фракций продуктов пиролиза.
В качестве сополимера этилена с винилацетатом может использоваться, например, сополимер этилена с винилацетатом марки 11507-070 (с 21-30 мас.% содержанием винилацетата) по ТУ 6-05-1636-97.
В качестве наполнителя используют тальк по ГОСТ 21235-75, доломит по ГОСТ 23735-79, отходы катализатора по ГОСТ 849-97 и любое неорганическое соединение, содержащее металлы переменной валентности (Со, Mn, Pb, Ni, Cu, Fe, Cd, Cr, Zn, Ca, Mg).
Последовательность приготовления полимерного модификатора битума и получения битумно-полимерных вяжущих при его использовании следующая:
1. Приготовление полимерного модификатора битума: нефтеполимерная смола измельчается (диспергируется) до мелкозернистого состояния, после чего в расчетном количестве вводится в растительное масло. Далее добавляется расчетное количество сополимера этилена с винилацетатом. После чего смесь нагревается до температуры 100-110°С и перемешивается в течение 15-20 минут до полного растворения.
2. Получение битумно-полимерных вяжущих с применением разработанного полимерного модификатора: битум нефтяной строительный (или битум нефтяной дорожный, или ВИБ) разогревается до 140-150°С и тщательно перемешивается. Далее в битум вводится расчетное количество разработанного полимерного модификатора, после чего полученное БПВ перемешивается в течение 15-20 мин при температуре 140-150°С.
Далее введением и перемешиванием в течение 15-20 мин при температуре 140-150°С в вышеприготовленную смесь дополнительного количества растительного масла (пластификатора) достигается необходимое качество получаемого материала.
Введение модификатора возможно как постадийно: сначала разработанный ПМ, а затем дополнительное количество растительного масла, так и одновременно двумя потоками или в виде смеси. Затем в разогретое БПВ при 140-150°С дозируется в расчетном количестве наполнитель.
Примеры приготовления образцов III и VI
Образец III
1. Приготовление полимерного модификатора битума: нефтеполимерная смола измельчается (диспергируется) до мелкозернистого состояния, после чего в количестве 58 г вводится в 25 г растительного масла, затем дозируется 17 г сополимера этилена с винилацетатом (расчет на 100 г смеси), таким образом, получается 75%-ная дисперсия смеси полимеров в пластификаторе (компонент А). Данная смесь нагревается до температуры 100-110°С и перемешивается в течение 15-20 минут до полного растворения.
2. Получение битумно-полимерного вяжущего с применением разработанного полимерного модификатора (введение ПМ в данном образце предусмотрено постадийно): 90 г битума нефтяного строительного (БН 90/10) разогревается до 140-150°С и тщательно перемешивается. Далее в битум вводится 5 г (компонент А) разработанного ПМ, после чего полученное БПВ перемешивается в течение 15-20 мин при температуре 140-150°С.
Далее введением и перемешиванием в течение 15-20 мин при температуре 140-150°С в выше приготовленную смесь 5 г растительного масла (пластификатора - компонент В) достигается необходимое качество получаемого материала.
Таким образом из расчета на 100 г содержание компонентов следующее: 90 г битума нефтяного строительного (БН 90/10), 10 г ПМ (компонент А+компонент В).
А в пересчете на количественный состав компонентов модификатора, состав БПВ имеет следующий вид: 90 г битума нефтяного строительного (БН 90/10), 3 г нефтеполимерной смолы, 1 г сополимера этилена с винилацетатом и 6 г растительного масла.
Образец VI
Получение битумно-полимерного вяжущего с применением разработанного ПМ: 75 г битума нефтяного строительного (БН 70/30) разогревается до 140-150°С и тщательно перемешивается, затем вводится 15 г описанного выше (см. образец III) компонента А ПМ и тут же дозируется 5 г растительного масла при перемешиваниии в течение 15-20 мин и температуре 140-150°С для достижения необходимого качества получаемого материала. Затем в полученное БПВ вводится 5 г наполнителя и перемешивается при той же температуре и продолжительности.
Таким образом из расчета на 100 г содержание компонентов следующее: 75 г битума нефтяного строительного (БН 70/30), 20 г. ПМ (15 г компонента А и 5 г компонента В), 5 г наполнителя.
А в пересчете на количественный состав компонентов модификатора, состав БПВ имеет следующий вид: 75 г битума нефтяного строительного (БН 70/30), 9 г нефтеполимерной смолы, 3 г сополимера этилена с винилацетатом, 8 г растительного масла и 5 г наполнителя.
Результаты физико-химических испытаний некоторых образцов битумно-полимерных вяжущих (БПВ) представлены в таблицах 1 и 2.
| Таблица 1 | ||||||||||||||||
| Компонентный состав исследуемых БПВ | ||||||||||||||||
| Компонентный состав | Образцы | Прототип | ||||||||||||||
| не модифицированные (%) | модифицированные (%) | |||||||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| Битум нефтяной строительный БН 90/10 | 100 | - | - | - | - | 98,5 | 70 | 90 | 87 | - | - | - | - | - | - | - |
| Битум нефтяной строительный БН 70/30 | - | 100 | - | - | - | - | - | - | - | 91 | 75 | - | - | - | - | |
| Битум нефтяной дорожный БНД 60/90 | - | - | 100 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 93 | 88 | - | 80 |
| Битум нефтяной дорожный БНД 90/130 | - | - | - | 100 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 89 | - |
| Вторично использованный битум (ВИБ) | - | - | - | - | 100 | - | - | - | - | - | - | 78 | - | - | - | - |
| Нефтеполимерная смола | 0,5 | 10 | 3 | 5 | 4 | 9 | 9 | 5 | 7 | 9 | - | |||||
| Сополимер этилена с винилацетатом | - | - | - | - | - | 0,3 | 5 | 1 | - | - | 3 | 3 | - | - | - | - |
| Растительное масло | 0,5 | 10 | 6 | 5 | 5 | 8 | 10 | 2 | 3 | 2 | - | |||||
| Наполнитель | - | - | - | - | - | - | 5 | - | 3 | - | 5 | - | - | 2 | - | - |
| Модификатор прототипа | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 20 |
| Таблица 2 | ||||||||||||||||
| Физико-химические показатели исследуемых БПВ | ||||||||||||||||
| Показатели | Образцы | Прототип | ||||||||||||||
| не модифицированные | модифицированные | |||||||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | |||||||
| Температура размягчения, °C (ГОСТ 11506-73) | 88 | 80 | 47 | 43 | 115 | 89 | 87 | 89 | 81 | 87 | 86 | 95 | 68 | 65 | 63 | 53 |
| Глубина проникания иглы 0,1 мм при 25°С (ГОСТ 11501-78) | 15 | 32 | 62 | 96 | 5 | 17 | 42 | 35 | 39 | 36 | 36 | 54 | 41 | 43 | 44 | - |
| Теплостойкость, °С (ГОСТ 2678-81) | - | - | - | - | - | 87 | 85 | 87 | 79 | 85 | 85 | 88 | 66 | 63 | 62 | - |
| Гибкость слоя мастики при температуре, °С (ГОСТ 10296-79: - на стержне диаметром 15 мм | - | - | - | - | - | -8 | -25 | -25 | -26 | -20 | -18 | -20 | -18 | -16 | -17 | - |
| - на стержне диаметром 25 мм | - | - | - | - | - | -10 | -30 | -28 | -29 | -23 | -21 | -25 | -21 | -19 | -20 | - |
| Температура хрупкости (ГОСТ 11507-78) | -5 | -7 | -10 | -11 | -9 | -30 | -26 | -27 | -22 | -20 | -25 | -20 | -18 | -19 | -20 | |
| Водопоглощение за 24 часа при 20°С, г/м2 (ГОСТ 2678-81) | 0,03 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,02 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,03 | - |
| Адгезия к минеральной части, баллы (ГОСТ 11508-76) | 1 | 1 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1-2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | - |
| Адгезия к бетонной поверхности, кГс/см2 (ГОСТ 2678-81) | 2,2 | 2,1 | 1,5 | 1,5 | 3,2 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,5 | 2,3 | 2,5 | 1,7 | 1,8 | 1,7 | 1,7 | - |
| Водонепроницаемость под гидростатическим давлением, кГс/см2 | 2,8 | 2,6 | 2,0 | 2,0 | 2,7 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | 2,8 | 2,5 | 2,8 | 2,1 | 2,2 | 2,2 | 2,2 | - |
Как следует из таблицы 1, БПВ, полученные при использовании разработанного ПМ, превосходят известную композицию (прототип) по температуре размягчения (теплостойкости), температуре хрупкости и, как следствие, по поведению при перепаде температур в различных климатических зонах, а потому относятся к числу покрытий с увеличенным сроком службы как в случае кровельных материалов, так и вяжущих, используемых при дорожном строительстве. Кроме того, предложенные образцы БПВ не уступают, а по некоторым показателям и превосходят, значения различных ГОСТ (а именно по водопоглощению, водонепроницаемости под гидростатическим давлением, упругодеформационным свойствам при низких температурах, по показателю адгезии к минеральной части и к бетонной поверхности). Дополнительно необходимо отметить, что улучшенные показатели БПВ при применении предлагаемого модификатора достигаются при кратно меньшем содержании модификатора в составе БПМ, существенно меньшей себестоимости 1 тонны получаемого вяжущего, а также существенно более простой технологической схемы и экологичном производстве модификатора.
1. Полимерный модификатор битума, отличающийся тем, что в качестве полимера содержит нефтеполимерную смолу и сополимер этилена с винилацетатом, в качестве растворителя и дополнительно пластификатора - масло растительное при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Смола нефтеполимерная | 20-80 |
| Сополимер этилена с винилацетатом | 10-30 |
| Масло растительное | 10-50 |
2. Модификатор битума п.1, отличающийся тем, что в качестве масла растительного используют масла рапсовые, жирные кислоты таллового масла (ЖКТМ), дистиллированное талловое масло (ДТМ).
3. Способ получения битумно-полимерных вяжущих, используемых при ремонте дорожного полотна и устройстве кровельного и гидроизоляционного ковра различных сооружений, в том числе мостовых сооружений, при получении битумных лакокрасочных материалов, включающий смешение битума, полимерного модификатора (ПМ) и возможно наполнителя, отличающийся тем, что в качестве ПМ используют полимерный модификатор по п.1 и дополнительно введенное растительное масло в следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Битум | 70,0-98,5 |
| Нефтеполимерная смола | 0,5-10,0 |
| Сополимер этилена с винилацетатом | 0,5-5,0 |
| Масло растительное (общее количество) | 0,5-10,0 |
| Наполнитель | 0,0-5,0 |
4. Способ п.3, отличающийся тем, что в качестве битума используют битумы нефтяные строительные марки БН 90/10, БН 70/30, или битумы нефтяные дорожные марки БНД 60/90, БНД 90/130, или вторично использованный битум (ВИБ).
5. Способ п.3, отличающийся тем, что в качестве наполнителя могут быть использованы тальк, доломит, отходы катализатора или любое неорганическое соединение, содержащее металлы переменной валентности (Со, Mn, Pb, Ni, Cu, Fe, Cd, Cr, Zn, Ca, Mg).
