Битумное вяжущее

Изобретение относится к нефтехимии, конкретно к битумным вяжущим, и может быть использовано при получении асфальтобетонов для дорожных строительных работ. Битумное вяжущее содержит битум, низкоокисленный атактический полипропилен и дополнительно этерифицированный кремнезем формулы

,

где R - СН₃, или С₂Н₅, или i-С₃Н₇. Вяжущее получают при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 90,0-99,0; низкоокисленный атактический полипропилен 0,5-5,0; указанный этерифицированный кремнезем 0,5-5,0. Полученное битумное вяжущее обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики асфальтобетона, такие как повышение прочности и уменьшение показателя водонасыщения. 4 табл., 18 пр.

 

Изобретение относится к нефтехимии, конкретно к битумным вяжущим, и может быть использовано при получении асфальтобетонов для дорожных строительных работ.

Известно битумное вяжущее кровельного и гидроизоляционного назначения, включающее битум, полипропилен атактический, полипропилен изотактический, отходы полиэтиленового производства и наполнитель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полипропилен атактический	3,5-5
полипропилен изотактический	1,5-2
отходы полиэтиленового производства	0,5-1,5
наполнитель	35-40
битум	остальное

см. RU Патент 2235817, МПК D06N 5/00, 2004.

Недостатками данного битумного вяжущего является то, что при его приготовлении изотактический полипропилен залипает на стенках технологического оборудования, что может привести к аварийным ситуациям.

Известно битумное вяжущее для получения асфальтобетонов для дорожного строительства, содержащее битум, бутадиен-стирольный термоэластопласт, индустриальное масло и тяжелые жирные кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум	86-89
бутадиен-стирольный термоэластопласт	2,5-5
индустриальное масло	5,5-7,5
тяжелые жирные кислоты	1-3

см. RU Патент 2297990, МПК C08L 95/00, 2007.

Недостатками известного битумного вяжущего является то, что для его получения бутадиен-стирольный термоэластопласт необходимо предварительно растворять в минеральном масле. Кроме того, данный термоэластопласт достаточно дорогостоящий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является битумное вяжущее, содержащее битум, низкоокисленный атактический полипропилен средневязкостной молекулярной массы 22000-29000 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум	90,0-99,7
низкоокисленный атактический полипропилен	0,3-10

см. RU Патент 2181733, МПК C08L 95/00, 2002.

Недостатками известного битумного вяжущего являются высокая температура хрупкости, свидетельствующая о невысокой морозостойкости, недостаточная прочность асфальтобетона на его основе и высокий показатель водонасыщения, свидетельствующий о его недостаточной водостойкости.

Задачей изобретения является обеспечение высокими эксплуатационными характеристиками асфальтобетона на основе заявляемого битумного вяжущего, а именно прочностью, водостойкостью и морозостойкостью.

Техническая задача решается тем, что битумное вяжущее, содержащее битум, низкоокисленный атактический полипропилен, дополнительно содержит этерифицированный кремнезем формулы

,

где R - СН₃, или C₂H₅, или i-С₃Н₇, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум	90,0-99,0
низкоокисленный атактический полипропилен	0,5-5,0
указанный этерифицированный кремнезем	0,5-5,0.

Решение технической задачи позволяет получить битумное вяжущее, обеспечивающее высокие экспуатационные характеристики асфальтобетона, а именно повысить прочность асфальтобетона при 20°С в среднем на 5-30%, прочность при 50°С - на 7-30%, понизить водостойкость асфальтобетона на 5-50% и улучшить его морозостойкость на 10-45%.

Кремнезем - диоксид кремния, который может быть модифицирован металлами, полимерами, поверхностно-активными веществами (ПАВ) и др. Кремнезем, поверхность которого модифицирована спиртами, получил название этерифицированный кремнезем. Информация о этерифицированном кремнеземе, используемом в заявляемом объекте, описана в нижеприведенных источниках, см. Химическое модифицирование поверхности минеральных веществ, Г.В.Лисичкин, Соросовский образовательный журнал, №4, 1996. - 52-59 с., см. также книга Р.Айлер "Химия кремнезема": Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. Ч.2. - 567 с. Сведения об использовании этерифицированного кремнезема в качестве компонента битумного вяжущего отсутствуют.

Для приготовления битумного вяжущего используют вязкий дорожный битум марок БНД 60/90 и БНД 90/130, низкоокисленный атактический полипропилен с характеристиками, указанными в таблице 1, и этерифицированный кремнезем, формулы

,

где R - СН₃, или С₂Н₅, или i-C₃H₇.

Свойства этерифицированного кремнезема приведены в таблице 2.

Таблица 1
Характеристики низкоокисленного атактического полипропилена
ММ	Содержание изотактической фракции, % не более	tразм, °C по КиШ	Глубина проникания иглы при 25°С, * 0,1 мм	Вязкость при 180°С, сП
22000-29000	20,0	99,5	80	200,0

Таблица 2
Характеристики этерифицированного кремнезема
Наименование показателей	R-СН3	R-C2H5	R-i-С3Н7
Внешний вид	порошок белого цвета
Значение рН водной вытяжки, ед. рН	6,9	7,5	8,1
Гидрофобность, %	87	92	95
Абсорбция дибутилфталата (ДБФ), мл/100 г	171	166	175
Удельная поверхность, м2/г	337	342	346
Размер частиц, нм		5-40

Изобретение поясняется на примерах. Примеры 1-3 по прототипу с использованием битума, что и в заявляемом объекте, см. таблицу 3.

Пример 1 по прототипу. В металлическую емкость, снабженную мешалкой, электрообогревателем и термометром, загружают 99,50 г (99,50 мас.%) дорожного битума марки БНД 60/90, нагревают емкость до 120°С и выдерживают при этой температуре до полного расплавления битума. Затем при перемешивании добавляют 0,50 г (0,50 мас.%) низкоокисленного атактического полипропилена. Смесь перемешивают 30 минут при той же температуре. У приготовленного битумного вяжущего определяют свойства. Примеры 2, 3, см. таблицу 3, выполняют аналогичным образом, меняя соотношения ингридиентов.

Пример 4 по заявляемому объекту. В металлическую емкость, снабженную мешалкой, электрообогревателем и термометром, загружают 99,00 г (99,00 мас.%) дорожного битума марки БНД 60/90, нагревают стакан до 120°С и выдерживают при этой температуре до полного расплавления битума. Затем при перемешивании добавляют 0,50 г (0,50 мас.%) низкоокисленного атактического полипропилена. Смесь перемешивают 30 минут при 120°С, к полученной смеси добавляют этерифицированный кремнезем в количестве 0,5 г (0,5 мас.%) и перемешивают 30 минут при той же температуре. У приготовленного битумного вяжущего определяют свойства.

Примеры 5-18, за исключением примеров 6, 10, 17, выполняют аналогично примеру 4, меняя соотношения ингридиентов.

Примеры 6, 10, 17 готовят с использованием битума марки БНД 90/130.

Примеры 4-18 соответствуют соотношению ингридиентов в заявляемых пределах их содержания в битумном вяжущем, см. таблицу 3.

Свойства битумного вяжущего определяют согласно ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Адгезионную прочность к минеральному материалу определяют по ГОСТ 11508-76 методом А - «пассивное» сцепление, сущность которого заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности минерального материала при воздействии воды. Теплостойкость заявляемых битумных вяжущих оценивают по их температуре размягчения методом КиШ согласно ГОСТ 11506-73. Температура размягчения соответствует верхнему пределу температуры эксплуатации. Температуру хрупкости определяют по методу Фрааса согласно ГОСТ 11507-78. Температура хрупкости - граница перехода из упругопластичного в упругохрупкое реологическое состояние.

Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что заявляемое битумное вяжущее по сравнению с прототипом имеет повышенную теплостойкость, пониженную температуру хрупкости, улучшенную адгезионную прочность к минеральному материалу, а именно примеры 4-9 по сравнению с примером 1 имеют повышенную на 2-10% теплостойкость, пониженную на 6-26% температуру хрупкости; примеры 10-12 по сравнению с примером 2 имеют повышенную на 6-11% теплостойкость, пониженную на 26-46% температуру хрупкости, примеры 13-18 по сравнению с примером 3 имеют повышенную на 2-16% теплостойкость, пониженную на 26-46% температуру хрупкости. Сравнение битумных вяжущих ведется при одинаковом соотношении в составе вяжущего битума и атактического полипропилена. Таким образом, примеры 4-18 демонстрируют расширение температурного интервала эксплуатации битумного вяжущего, а также повышение его адгезии к поверхности минерального материала.

Таблица 3
Свойства битумных вяжущих
№ примера	Состав вяжущего, мас.%	Свойства битумного вяжущего
tразм, °C по КиШ	Глубина проникания иглы, *0,1 мм, 25°С	Растяжи- мость, см, 25°С	tхруп, °с	Адгезия к мин. материалу, в баллах***
1	Битум +0,5% ОАПП-н*	50	62	63	-15	3
2	Битум +3,0% ОАПП-н	54	61	55	-15	4
3	Битум +5,0% ОАПП-н	55	61	54	-15	4
4	Битум +0,5% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R1**	51	62	59	-16	4
5	Битум +0,5% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R2**	52	61	58	-18	4
6	Битум +0,5% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R3**	53	90	66	-18	4
7	Битум +0,5% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R1	52	57	56	-18	5
8	Битум +0,5% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R2	54	56	56	-19	5
9	Битум +0,5% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R3	55	54	53	-19	5
10	Битум +3,0% ОАПП-н+2,0% Силином БС-300 R1	57	87	64	-19	5
11	Битум +3,0% ОАПП-н+2,0% Силином БС-300 R2	59	54	52	-20	5
12	Битум +3,0% ОАПП-н+2,0% Силином БС-300 R3	60	52	50	-22	5
13	Битум +5,0% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R1	56	55	54	-19	4
14	Битум +5,0% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R2	56	53	53	-19	4
15	Битум +5,0% ОАПП-н+0,5% Силином БС-300 R3	57,5	53	52	-20	4
16	Битум +5,0% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R1	61	53	52	-20	5
17	Битум +5,0% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R2	63	85	60	-22	5
18	Битум +5,0% ОАПП-н+5,0% Силином БС-300 R3	64	50	49	-24	5
Примечания:
* - ОАПП-н - низкоокисленный атактический полипропилен;
** - Силином БС-300 R1, Силином БС-300 R2, Силином БС-300 R3 - марки этерифицированного кремнезема, где R1 - СН3, R2 - С2Н5, R3 - i-С3Н7;
*** - расшифровка баллов при сцеплении вяжущего с поверхностью минеральной части: 3 - «удовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто 75% поверхности частиц гравия; 4 - «хорошо», пленкой вяжущего покрыто 90% поверхности частиц гравия; 5 - пленкой вяжущего покрыто 95% поверхности частиц гравия.

Предлагаемое битумное вяжущее используют для приготовления горячих асфальтобетонных смесей по ГОСТ 9128-97. Испытания асфальтобетонных смесей проводят по общепринятым методикам согласно ГОСТ 12801-98. Состав и свойства асфальтобетонных смесей приведены в таблице 4. Примеры 1-18 таблицы 4 соответствуют составам битумного вяжущего 1-18 таблицы 3.

У асфальтобетонов на основе заявляемого битумного вяжущего повышается прочность, падает показатель водонасыщения. Это объясняется повышением адгезионной прочности заявляемого битумного вяжущего к минеральной части асфальтобетона. Хороший адгезионный контакт между частицами минерального наполнителя и битумным вяжущим исключает внедрение воды в пограничную область раздела фаз.

Таблица 4
Результаты испытаний образцов асфальтобетонных смесей
№ примера*	Предел прочности на сжатие при 0, 20, 50°С и после водонасыщения	Коэф-т температурочувствительности Кт=R0/R50	Коэф-т водостойкости Квод=Rвод/R20	Водонасыщение W, %
R0, МПа	R20, МПа	R50, МПа	Rвод, МПа
1	9,94	4,12	1,21	3,61	8,21	0,88	1,64
2	8,87	5,00	1,28	4,90	6,93	0,98	1,42
3	9,17	5,17	1,31	5,12	7,00	0,99	1,35
4	9,75	4,31	1,29	3,75	7,56	0,87	1,58
5	9,61	4,50	1,37	3,86	7,01	0,86	1,47
6	9,47	4,64	1,48	4,02	6,40	0,87	1,41
7	8,33	5,32	1,41	5,29	5,91	0,99	1,07
8	8,21	5,42	1,50	5,42	5,47	1,00	0,98
9	8,15	5,53	1,61	5,50	5,06	0,99	0,92
10	7,93	5,36	1,36	5,26	5,83	0,98	0,87
11	7,56	5,77	1,56	5,59	4,85	0,97	0,78
12	7,38	5,92	1,67	5,71	4,42	0,96	0,73
13	9,00	5,29	1,43	5,27	6,30	0,99	1,21
14	8,91	5,41	1,52	5,41	5,86	1,00	1,17
15	8,76	5,49	1,65	5,48	5,31	0,99	1,13
16	7,37	5,71	1,45	5,60	5,08	0,98	0,73
17	7,25	6,14	1,65	5,98	4,39	0,97	0,70
18	7,03	6,33	1,73	6,18	4,06	0,98	0,68
Примечания:
* - рецептура асфальтобетонных смесей, мас.%:

Щебень, фракция 2-7 мм - 55;

Песок, фракция 0-3 мм - 45;

Битумное вяжущее - 6;

Средняя плотность образцов - 2,13 г/см³;

Остаточная пористость асфальтобетона - 4 об.%.

Асфальтобетонные смеси на основе заявляемого битумного вяжущего по сравнению с прототипом демонстрируют улучшение свойств, а именно примеры 4-9 по сравнению с примером 1 имеют повышенный на 4-34% предел прочности на сжатие при 20°С, повышенный на 6-33% предел прочности на сжатие при 50°С, пониженное на 3-44% водонасыщение; примеры 10-12 по сравнению с примером 2 имеют повышенный на 7-18% предел прочности на сжатие при 20°С, повышенный на 6-30% предел прочности на сжатие при 50°С, пониженное в 1,63-2 раза водонасыщение; примеры 13-18 по сравнению с примером 3 имеют повышенный на 2-22% предел прочности на сжатие при 20°С, повышенный на 9-32% предел прочности на сжатие при 50°С, пониженное на 10-50% водонасыщение, см. таблицу 4.

Таким образом, заявляемое битумное вяжущее по сравнению с прототипом позволяет повысить прочность асфальтобетона при 20°С в среднем на 5-30%, прочность при 50°С - на 7-30%, понизить водостойкость асфальтобетона на 5-50% и улучшить его морозостойкость на 10-45%.

Поскольку прочность и водонасыщение являются основными показателями, определяющими долговечность асфальтобетонного покрытия, полученные результаты позволяют увеличить межремонтный срок эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий на основе заявляемого битумного вяжущего. Снижение коэффициента температурочувствительности по сравнению с прототипом почти в 2 раза говорит о повышении деформационной устойчивости дорожных покрытий и повышении их стойкости к растрескиванию при сезонных температурных перепадах. Асфальтобетоны на основе заявляемого битумного вяжущего обладают большей морозостойкостью, так как происходит понижение температуры хрупкости заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом, см. таблицу 3.

Таким образом, заявляемый объект позволяет получить асфальтобетон с повышенными прочностными характеристиками, повышенной водостойкостью, стойкостью к сезонным температурным перепадам, а значит и с увеличенным межремонтным сроком эксплуатации дорожных покрытий на его основе.

Битумное вяжущее, содержащее битум, низкоокисленный атактический полипропилен, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит этерифицированный кремнезем формулы
,
где R - СН₃ или С₂Н₅, или i-C₃H₂, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум	90,0-99,0
низкоокисленный атактический полипропилен	0,5-5,0
указанный этерифицированный кремнезем	0,5-5,0