Битумная эмульсия
Изобретение относится к битумным эмульсиям, используемым в дорожном строительстве. Изобретение касается битумной эмульсии, включающей битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора, воду и дополнительный компонент, в качестве дополнительного компонента она содержит водорастворимый полимер - карбоксиметилцеллюлозу при следующем содержании компонентов, мас.%: битум 30-40, эмульгатор 0,2-0,5, реагент для нейтрализации эмульгатора 0,5-1,0, карбоксиметилцеллюлоза 0,75-1,75, вода - остальное. Изобретение позволяет повысить устойчивость к расслаиванию эмульсии при хранении, экономить битум и повысить экологичность состава при сохранении высоких значений показателя сцепления вяжущего с минеральным материалом. 2 табл.
Изобретение относится к битумным эмульсиям, используемым в создании дорожных покрытий.
Известна битумная эмульсия для дорожных работ, включающая битум, катионную адгезионную присадку, соляную кислоту и воду [Методические рекомендации по приготовлению и применению в дорожном строительстве катионных эмульсий. М., СоюздорНИИ, 1973, с.3-24].
Недостатками этой эмульсии являются невысокие стабильность эмульсии и сцепляемость битума с минеральным наполнителем.
Наиболее близкой предлагаемому изобретению является битумная эмульсия [патент RU №2176652, МПК7 С08L 95/00, 2001], включающая битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора и воду. Причем она дополнительно содержит отход процесса пиролиза углеводородного сырья - тяжелую пиролизную смолу (ТПС) при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| Битум | 20,0-70,0 |
| Эмульгатор | 0,1-5,0 |
| Реагент для нейтрализации эмульгатора | 0,5-3,0 |
| ТПС | 0,4-8,0 |
| Вода | остальное |
Рецепт эмульсии позволяет регулировать скорость ее распада при одном и том же содержании эмульгатора, повышает ее стабильность и сцепляемость с минеральным наполнителем, а также способствует экономии битума.
Недостатком эмульсии является недостаточная устойчивость к процессам окислительного старения. Изменения значений глубины проникания иглы и растяжимости битума, выделенного из эмульсии, относительно значений соответствующих показателей исходного битума, использованного для приготовления эмульсии, не соответствуют требованиям ГОСТ 18659-81 на эмульсии битумные дорожные, согласно которым эти изменения не должны превышать 15%, в то время как для прототипа эти изменения достигают 19%. Указанный недостаток, по всей вероятности, вызван наличием в ТПС (согласно результатам анализов методами ЯМР и ИК-спектроскопии), непредельных олефиновых структур и ненасыщенных алифатических альдегидов. Указанный недостаток может привести к сокращению срока службы дорожных покрытий.
Задачей изобретения является улучшение показателя сцепления пленки вяжущего с минеральным материалом (адгезии), повышение устойчивости к расслаиванию и коалесценции эмульсии при хранении, экономия битума и эмульгатора, повышение экологичности состава.
Поставленная задача решается разработкой битумной эмульсии для дорожного строительства, включающей битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора, воду и дополнительный компонент. Причем в качестве дополнительного компонента она содержит водорастворимый полимер - карбоксиметилцеллюлозу при следующих соотношениях компонентов, % мас.:
| Битум | 30-40 |
| Эмульгатор | 0,2-0,5 |
| Реагент для нейтрализации эмульгатора | 0,5-1,0 |
| Карбоксиметилцеллюлоза | 0,75-1,75 |
| Вода | остальное |
Для приготовления эмульсии используют нефтяные дорожные битумы марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90.
В качестве карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) использовали КМЦ по ТУ 2231-017-32957739-02, основные физико-химические характеристики которой приведены в табл.1.
В качестве эмульгатора используют ПАВ Induline W-5 по ISO 14001 или Redicote Е-4875 по DIN EN ISO 9001.
В качестве реагента для нейтрализации эмульгатора используют концентрированную соляную кислоту по ГОСТ 857-95.
Вода должна соответствовать требованиям на оборотную воду для предприятий и дополнительно содержать солей жесткости не более 6,0 мг·экв/л.
Битумную эмульсию готовят по следующей методике: предварительно вода и КМЦ смешиваются до полного растворения последнего при комнатной температуре; затем в полученную подобным образом дисперсную систему вводят ПАВ и заданное количество соляной кислоты. Приготовленная таким образом водная система, называемая далее водной фазой, разогретая до 70-75°С, вводится в коллоидную мельницу (фрезерную мешалку) с регулируемым числом оборотов. Затем разогретый до 120-125°С битум смешивается с водной фазой до однородного состояния.
Образцы битумных эмульсий были приготовлены в соответствии с приведенными примерами.
Пример 1. К смеси из 116,875 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 1,275 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 0,75, вода - 68,75.
Пример 2. К смеси из 116,45 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 1,7 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1, вода - 68,5.
Пример 3. К смеси из 107,525 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,125 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,25, вода - 63,25.
Пример 4. К смеси из 107,1 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,55 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,5, вода - 63.
Пример 5. К смеси из 98,175 г воды, 0,85 г эмульгатора, 2 г кислоты и 2,975 г КМЦ, нагретой до 75°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,5, кислота - 1, КМЦ - 1,75, вода - 57,75.
Пример 6. К смеси из 117,3 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 1,275 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 125°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 0,75, вода - 69.
Пример 7. К смеси из 116,875 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 1,7 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 51 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 по и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 30, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1, вода - 68,75.
Пример 8. К смеси из 107,95 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и2,125 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 59,5 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 35, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1,25, вода - 63,5.
Пример 9. К смеси из 99,025 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 2,55 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,25, кислота- 0,5, КМЦ - 1,5, вода - 58,25.
Пример 10. К смеси из 98,6 г воды, 0,425 г эмульгатора, 1 г кислоты и 2,975 г КМЦ, нагретой до 70°С, при постоянном перемешивании добавляют 68 г предварительно разогретого в отдельной емкости до 120°С дорожного битума БНД 60/90 и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 40, эмульгатор - 0,25, кислота - 0,5, КМЦ - 1,75, вода - 58.
Для сравнения предлагаемых образцов эмульсий с прототипом были приготовлены 2 образца эмульсий согласно прототипу (примеры 11-12).
Пример 11. В 49,7 г дорожного битума (по ГОСТ 22245-90), нагретого до температуры 110°С, добавляют при перемешивании 0,3 г катионоактивного эмульгатора. Водную фазу готовят следующим образом: в 48,5 г воды добавляют при перемешивании 0,5 г безводной тяжелой пиролизной смолы (ТПС) и 1,0 г соляной кислоты, затем нагревают при перемешивании до 85°С, затем добавляют смесь битума с эмульгатором, имеющую температуру 110°С, и перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 49,7, эмульгатор - 0,3, кислота - 1,0, ТПС - 0,5, вода - 48,5.
Пример 12. В 49,7 г дорожного битума (по ГОСТ 22245-90), нагретого до температуры 110°С, добавляют при перемешивании 0,3 г катионоактивного эмульгатора и 2,0 г безводной ТПС. Водную фазу готовят следующим образом: в 47,0 г воды добавляют 1,0 г соляной кислоты, тщательно перемешивают, нагревают этот раствор до температуры 85°С, затем добавляют нагретую до 110°С смесь битума, эмульгатора и тяжелой пиролизной смолы. Перемешивают до полной однородности.
Состав полученной эмульсии следующий (% мас.): битум - 49,7, эмульгатор - 0,3, кислота - 1,0, ТПС - 2,0, вода - 47,0.
Физико-механические свойства битумных эмульсий, приготовленных согласно примерам 1-12, приведены в табл.2.
Экспериментальные данные показывают, что разработанные эмульсии в заявляемых пределах обладают высокими показателями сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами (до 100% площади), в то время как для прототипа этот показатель не превышает 95-97% площади. При этом разработанные эмульсии обладают повышенной устойчивостью к расслаиванию и коалесценции при хранении с одновременной экономией битума и эмульгатора и не уступают по указанным показателям прототипу, а наоборот, превышают их. Заявляемые составы могут иметь различное время распада, что существенно для их дальнейшего использования.
Необходимо отметить, что сдерживающим фактором использования ТПС является их канцерогенность в отношении окружающей среды и организма человека в виду значительного содержания ароматических углеводородов. В техническом плане содержащие непредельные углеводороды ТПС проявляют свойства самополимеризации и вызывают это явление в составе битумного вяжущего, тем самым происходит уплотнение материала, существенно снижается эластичность и адгезионная способность.
| Таблица 1 | ||
| Физико-химические свойства карбоксиметилцеллюлозы ЗАО «Эфиры Целлюлозы» (ТУ 2231-017-32957739-02) | ||
| Наименование показателей | Значения | |
| КМЦ-9Н | КМЦ-7Н | |
| 1 | 2 | 3 |
| 1. Внешний вид | Волокнистый или порошкообразный материал от беловатого до кремового цвета | |
| 2. Массовая доля воды, %, не более | 10 | 10 |
| 3. Степень замещения по карбоксиметильным группам, в пределах | 0,8-1,0 | 0,6-0,8 |
| 4. Массовая доля основного вещества в абсолютно сухом техническом продукте, %, не менее (стандартный тип 7/тип 7А или тип 9) | 50 | 50/57 |
| 5. Динамическая вязкость водного раствора с массовой долей КМЦ 2% при температуре 25°С, мПа·с, в пределах | 10-40 | 10-40 |
| 6. Растворимость в воде в пересчете на абсолютно сухой технический продукт, %, не менее | 98 | 98 |
| 7. Водородный показатель (рН) водного раствора с массовой долей КМЦ 1%, в пределах | 6-9 | 6-9 |
| Таблица 2 | ||||||||||||
| Эксплуатационные характеристики битумных эмульсий | ||||||||||||
| Показатели эмульсий | Номер примера | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | Прототип* | ||
| 11 | 12 | |||||||||||
| 1.Содержание в эмульсии, мас.% | 30.00 | 30.00 | 35.00 | 35.00 | 40.00 | 30.00 | 30.00 | 35.00 | 40.00 | 40.00 | 49.70 | 49.70 |
| Битума | ||||||||||||
| эмульгатора | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.30 | 0.30 |
| Воды | 68.75 | 68.50 | 63.25 | 63.00 | 57.75 | 69.00 | 68.75 | 63.50 | 58.25 | 58.00 | 48.50 | 47.00 |
| КМЦ | 0.75 | 1.00 | 1.25 | 1.50 | 1.75 | 0.75 | 1.00 | 1.25 | 1.50 | 1.75 | - | - |
| ТПС | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.50 | 2.00 | |
| Реагента для нейтрализации эмульгатора | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 1.00 | 1.00 |
| 2. Однородность | Неэмульгированных капель битума не наблюдается | |||||||||||
| 3. Устойчивость при хранении в течение | Расслаивания не наблюдается | Расслаивания не наблюдается | ||||||||||
| 7 суток | ||||||||||||
| 30 суток | ||||||||||||
| 60 суток | Расслаивается | |||||||||||
| 4. Способность эмульсии обрабатывать влажный минеральный материал | Поверхность каменного материала покрыта сплошной пленкой вяжущего | |||||||||||
| 5. Водоустойчивость пленки | Водоустойчивость пленки хорошая | |||||||||||
| * Образцы приготовлены согласно прототипу |
Битумная эмульсия, включающая битум, эмульгатор на основе ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов или четвертичных аммониевых солей, соляную кислоту в качестве реагента для нейтрализации эмульгатора, воду и дополнительный компонент, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного компонента она содержит водорастворимый полимер - карбоксиметилцеллюлозу при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Битум | 30-40 |
| Эмульгатор | 0,2-0,5 |
| Реагент для нейтрализации эмульгатора | 0,5-1,0 |
| Карбоксиметилцеллюлоза | 0,75-1,75 |
| Вода | остальное |
