Катионная полимерно-битумная эмульсия

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог, к промышленному и гражданскому строительству. Катионная полимерно-битумная эмульсия содержит полимерно-битумное вяжущее на основе битума нефтяного дорожного БНД 90/130, модифицированного полимером стирол-бутадиен-стиролом и пластифицированного индустриальным маслом И40А, катионный эмульгатор, соляную кислоту, хлорид кальция и воду. В качестве катионного эмульгатора используют эмульгатор на основе производного Н-алкил «жир» пропилен полиамина. Соотношение компонентов в полимерно-битумном вяжущем следующее, мас.%: битум - 72,5-85,5; полимер стирол-бутадиен-стирол - 2,5-3,5; масло И40А - 12-24. Соотношение компонентов в катионной полимерно-битумной эмульсии следующее, мас.%: полимерно-битумное вяжущее - 50-65; катионный эмульгатор - 0,42-0,6; соляная кислота - 0,18-0,25; хлорид кальция - 0,08-0,14; вода - остальное. Катионная полимерно-битумная эмульсия позволяет повысить морозостойкость органоминеральных смесей, повысить температуру размягчения, а также увеличить показатель эластичности, что уменьшает финансовые затраты на ремонт и содержание автодорог за счет увеличения их срока службы. Также уменьшен расход эмульгатора и соляной кислоты, что приводит к уменьшению стоимости затрат при получении эмульсии, снижает эффект вредного влияния соляной кислоты на окружающую среду и человека. 1 ил., 5 табл., 4 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится как к строительству автомобильных дорог, так и к промышленному и гражданскому строительству. Может применяться для устройства слоев поверхностной обработки, подгрунтовки, устройства слоев дорожных одежд из щебня и пористых щебеночных смесей, ямочного ремонта, приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей, в том числе грунтовых, для ухода за свежеуложенным цементобетоном и цементогрунтом, для гидроизоляции кровель, гидроизоляции металлических и бетонных изделий.

Для приготовления холодных органоминеральных смесей, тонкослойных поверхностных обработок дорожных одежд, подгрунтовок и т.д. в мировой практике нашли широкое применение катионные битумные эмульсии, упрощающие технологию производства работ ввиду возможности применения эмульсий в холодном состоянии, а также проводить работы в сырую прохладную погоду.

Основным компонентом битумных дорожных эмульсий являются вязкие дорожные битумы, выпускаемые в нашей стране по ГОСТ 22245-90, в котором требуемая температура хрупкости много выше температуры наиболее холодных суток района эксплуатации. Это характерно для большей части (более 96%) территории России по СНиП 23.01.99. В связи с тем, что битумы в нашей стране получаются методом окисления, одним из главных их недостатков является низкая адгезия к каменным материалам. Перечисленные недостатки, безусловно, отрицательно влияют и на качественные показатели битумных эмульсий.

Для повышения физико-механических свойств битумных эмульсий целесообразно использовать полимерно-битумное вяжущее, имеющее качественные показатели не ниже требований ГОСТ Р 52056-2003, поверхностно-активные вещества и стабилизирующие добавки.

Основными недостатками известных катионных битумных эмульсий являются сравнительно низкие показатели стабильности, однородности и сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами, сложность регулирования скорости распада, большое количество компонентов в составе эмульгирующего раствора, уменьшение температуры размягчения битума и увеличение его температуры хрупкости после эмульгирования.

Известен состав битумной катионной эмульсии для дорожного строительства, включающий битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду (а.с. СССР 1359281, кл. C08L 95/00, С04В 26/26). Эмульсия обладает стабильностью при хранении.

Однако недостатком данной эмульсии является то, что она, обладая высокой степенью обволакивания, имеет низкий показатель адгезии (не более 50% площади).

Известен состав катионной эмульсии для дорожного строительства, включающей соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду (патент RU 2184753 С1, C08L 95/00, С04В 26/26). Эмульсия обладает улучшенным показателем сцепления пленки вяжущего с минеральным материалом при сохранении повышенной стабильности при хранении.

Однако недостатком этой эмульсии являются низкие значения рН растворов эмульсии в пределах в основном 1,1-1,7 (в основной массе 1,1-1,5). Согласно "Пособию по приготовлению и применению битумных дорожных эмульсий" и СНиП 3.06.03-85, п.3.29 готовый раствор должен иметь водородный показатель рН в пределах 1,8-2,2. Значения рН меньше 1,8 свидетельствуют об избытке кислоты, что отрицательно влияет на адгезию эмульгированного битума, как к минеральным материалам кислых пород, так и основных. Поверхностно-активные вещества, использованные в работе, не имеют промышленного производства.

Наиболее близким прототипом предлагаемому изобретению является катионная битумная эмульсия для дорожного строительства (патент RU 2241012 C1, C08L 95/00. C08L 9/00), содержащая битум нефтяной дорожный БНД 60/90, соляную кислоту, хлорид кальция, неонол АФ 9-8, каучуковую добавку СВБ-М, являющуюся раствором в индустриальном масле полибутадиенового каучука с вязкостью по Муни не менее 25, катионный эмульгатор КАДЭМ-ВТ, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции C₁₆-C₂₀ и полиэтиленполиамина, имеющего аминное число, мг HCl/г, не менее 150 и кислотное число, мг КОН/г, 0-6 и воду.

Недостатком такой эмульсии является большое количество составляющих ее компонентов, которые требуют точной дозировки, применение водорастворимого полимера «Неонол АФ 9-8» в качестве стабилизатора эмульсии, это требует дополнительной технологической линии, что технически усложняет процесс получения эмульсии. Несмотря на низкую стоимость, поверхностно-активного вещества КА-ДЭМВТ, необходимо отметить его большой расход; повышенный расход соляной кислоты ведет к увеличению загрязнения окружающей среды и требует увеличения средств на охрану труда. Следует отметить высокую температуру хрупкости модифицированного битума и его низкую температуру размягчения, показатель эластичности не соответствует ГОСТ Р 52056-2003. Применяемое исходное вяжущее является битумом марки БНД 60/90 и не может применяться в I дорожно-климатической зоне согласно ГОСТ 9128-2009.

Задачей предлагаемого изобретения является создание катионной полимерной битумной эмульсии с улучшенными характеристиками вяжущего после ее распада, такими как температура хрупкости, температура размягчения, эластичность, интервал пластичности, что должно привести к увеличению сроков службы дорожных одежд.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что катионная полимерно-битумная эмульсия, содержащая полимерно-битумное вяжущее на основе битума нефтяного дорожного, полимера и индустриального масла, катионный эмульгатор, соляную кислоту, хлорид кальция и воду, отличается тем, что полимерно-битумное вяжущее содержит битум нефтяной дорожный БНД 90/130, модифицированный полимером стирол-бутадиен-стирол (ДСТ-30-01), пластифицированный индустриальным маслом И40А, а в качестве катионного эмульгатора используют эмульгатор на основе производного Н-алкил «жир» пропилен полиамина, при следующем соотношении компонентов в полимерно-битумном вяжущем, мас.%:

Битум нефтяной дорожный БНД 90/130 - 72,5-85,5;

Полимер стирол-бутадиен-стирол - 2,5-3,5;

Индустриальное масло И40А - 12-24,

и при следующем соотношении компонентов в катионной полимерной битумной эмульсии, мас.%:

Полимерно-битумное вяжущее - 50-65

Катионный эмульгатор - 0,42-0,6

Соляная кислота - 0,18-0,25

Хлорид кальция - 0,08-0,14

Остальное вода.

Стирол-бутодиен-стирол, вводимый в битум совместно с индустриальным маслом, химически взаимодействуя с активными центрами битума, образуют сопряженную битумно-полимерную структуру. В результате создается новая система химически связанных друг с другом макромолекул, которые теряют способность растворяться, а вяжущее приобретает улучшенные физико-механические показатели (температура хрупкости, растяжимость, эластичность, интервал пластичности и т.д.).

Техническим результатом является то, что предлагаемая катионная полимерно-битумная эмульсия по сравнению с прототипом позволяет повысить морозостойкость органоминеральных смесей за счет пониженной температуру хрупкости ниже сорока градусов, повысить температуру размягчения более пятидесяти восьми градусов, а

также показатель эластичности до девяносто пяти процентов, что должно уменьшить финансовые затраты на ремонт и содержание автодорог за счет увеличения их срока службы. Кроме того, уменьшен расход эмульгатора в шесть раз, расход соляной кислоты в два раза, что приведет к уменьшению стоимости затрат на получение эмульсии, снизит эффект вредного влияния соляной кислоты на окружающую среду и человека.

Ниже на рис.1 представлена схематическая молекулярная структура битума с использованием стирол-бутадиен-стирола как его модификатора.

Характеристика исходных материалов

1. Битум.

Использовался битум нефтяной дорожный БНД 90/130. В таблице 1 представлены его физико-механические показатели. По показателям свойств исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Масло индустриальное И40А соответствует ГОСТ 20799-88, изм. 1-5.

3. Стирол-бутадиен-стирол производства ОАО «ВОРОНЕЖ- СИНТЕЗКАУУК». В таблице 2 представлены его физико-механические показатели.

С использованием вышеуказанных материалов были получены составы полимерно-битумного вяжущего. В таблице 3 представлены их физико-механические показатели.

4. Катионный Эмульгатор. Ниже представлен его химический со став.

Химический состав:

Производное Н-алкил «жир» полипропилен полиамина.

№CAS: 68 603-75-8

5. Соляная кислота. Соляная кислота соответствует требованиям ГОСТ 857-88, марка Б.

6. Хлорид Кальция.

Хлорид кальция соответствует ГОСТ 450-77.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 4 варианта составов катионных полимерно-битумных эмульсий.

Приготовление полимерно-битумного вяжущего в лабораторных условиях производят в следующем порядке. В лабораторную мешалку с функцией подогрева наливают предварительно разогретый до температуры 130-140°С битум марки БНД 90/130, затем вводят индустриальное масло И40А. Перемешивая смесь масла с битумом, доводят ее до температуры 140-150°С, затем добавляют навеску стирол-бутадиен-стирола и перемешивают в течение 1,5 часа при температуре 140-160°С. Готовность определяют по требованиям ГОСТ Р 52056-2003.

Приготовление катионной полимерно-битумной эмульсии производят в следующем порядке. На основе предварительно приготовленного полимерно-битумного вяжущего, разогретого до температуры 130-140°С, приготавливалась катионная полимерно-битумная эмульсия путем смешения полимерно-битумного вяжущего с эмульсионно-водным раствором, предварительно разогретым до температуры 50-60°С (вода + катионный эмульгатор + соляная кислота + хлористый кальций). Перемешивание производят в диспергаторе путем одновременной подачи в него полимерно-битумного вяжущего и эмульсионно-водного раствора.

Составы катионных полимерно-битумных эмульсий и их физико-механические показатели представлены в таблице 4.

Катионная полимерно-битумная эмульсия, содержащая полимерно-битумное вяжущее на основе битума нефтяного дорожного, полимера и индустриального масла, катионный эмульгатор, соляную кислоту, хлорид кальция и воду, отличающаяся тем, что полимерно-битумное вяжущее содержит битум нефтяной дорожный БНД 90/130, модифицированный полимером стирол-бутадиен-стирол, пластифицированный индустриальным маслом И40А, а в качестве катионного эмульгатора используют эмульгатор на основе производного Н-алкил «жир» пропилен полиамина при следующем соотношении компонентов в полимерно-битумном вяжущем, мас.%:

Битум нефтяной дорожный БНД 90/130	72,5-85,5
Полимер стирол-бутадиен-стирол	2,5-3,5
Индустриальное масло И40А	12-24

и при следующем соотношении компонентов в катионной полимерной битумной эмульсии, мас.%,

Полимерно-битумное вяжущее	50-65
Катионный эмульгатор	0,42-0,60
Соляная кислота	0,18-0,25
Хлорид кальция	0,08-0,14
Остальное	Вода