Полимерно-битумное вяжущее и способ его получения
Владельцы патента RU 2496812:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" (RU)
Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к полимерно-битумным вяжущим для строительной отрасли, и способам их получения. Вяжущее содержит битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла, наномодифицированного одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц, и полимера. В качестве полимерного компонента используют термоэластопласт - ДСТ-30Р-01. Соотношение компонентов следующее, мас.%: ДСТ-30Р-01 - 1,1-3,4; индустриальное масло - 2,2-9,4; ОУНТ - 0,001-0,03; битум - остальное. Способ получения вяжущего включает введение при перемешивании в битум полимерного компонента. Причем до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента путем смешивания ОУНТ с маслом индустриальным при температуре 100-120°C и последующим введением полимера, после чего полученную смесь при перемешивании вводят в битум при 120-160°C. Результатом является получение высокооднородного битумного вяжущего, обладающего высокими физико-механическими свойствами с одновременным сокращением расхода полимера и индустриального масла. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 5 пр.
Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к полимерно-битумным вяжущим для строительной отрасли, и способам их получения, может быть использовано при устройстве кровель, гидроизоляций и герметичных швов, а также при приготовлении органоминеральных смесей.
Известно вяжущее для дорожных покрытий, получаемое смешением 85-98 мас.% битума, 15-2 мас.% разветвленного или линейного стирольного блок-сополимера при 200°C-250°C в течение 15-40 минут (ЕР №0458386, кл. C08L 95/00, 1972).
Кроме того, известно вяжущее для дорожных покрытий, получаемое путем введения в битум при температуре 80-200°C и непрерывном перемешивании дивинилстирольных блок-сополимеров типа СБС, взятых в количестве 0,1-10% от массы битума в виде 5-25%-ного раствора в легких растворителях (SU, А, 272881).
Названные вяжущие имеют достаточно высокую прочность, эластичность, однако в том случае, когда в вяжущем отсутствует растворитель, не наблюдается хорошее совмещение полимера с битумом, т.е. структура вяжущего негомогенна, несмотря на то, что процесс его получения осуществлялся при температуре 200-250°C. Негомогенная структура вяжущего является причиной образования трещин на дорожном покрытии при температуре ниже минус 10°C.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения (патент РФ №2038360, кл. C08L 95/00, 1995), содержащее битум, блок-сополимеры алкадиена и стирола и индустриальное масло при следующим количественном соотношении, мас.%:
| битум | 44,4-98,0 |
| блок-сополимеры алкадиена и стирола | 0,1-22,3 |
| масло индустриальное | 1,9-33,3 |
Причем до введения в битум сополимер смешивают при 80-160°C с индустриальным маслом, после чего полученную смесь при перемешивании вводят при 110-160°C в битум.
Изобретение позволяет получить вяжущее, соответствующее по параметрам требованиям, предъявляемым к вяжущим для дорожного покрытия. Однако полной однородности такого вяжущего достигнуть не удается, поскольку сродство индустриального масла, состоящего в основном из нафтеновых углеводородов, к блок-сополимерам алкадиена и стирола невысокое. Вяжущее обладает сравнительно невысокими значениями растяжимости и эластичности, а также неудовлетворительной адгезией.
Отличительным признаком заявляемого изобретения является получение вяжущего, характеризующегося высокими показателями когезии, эластичности, адгезии, температуры размягчения и низкими показателями температуры хрупкости. Достижение заявленных показателей осуществляется путем изменения вязкости индустриального масла введением в его состав одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), что позволяет получить обозначенный положительный эффект при уменьшении содержания полимера в полимерном компоненте.
В части способа приготовления полимерно-битумного вяжущего отличительным признаком является получение однородного вяжущего с равномерно распределенным полимером в наноармированной матрице. Результат достигается за счет последовательного многофакторного перемешивания компонентов в процессе приготовления вяжущего.
В основу заявляемого изобретения положены следующие задачи: путем изменения состава и варьирования технологическими параметрами при приготовлении целевого продукта создать равномерно наноармированную матрицу полимерного компонента с последующим его введением в битум и получить высокооднородное битумное вяжущее, обладающее высокими физико-механическими свойствами с одновременным сокращением расхода полимера и индустриального масла.
Техническим результатом заявленного изобретения в части полимерно-битумного вяжущего материала является определение необходимых компонентов, составляющих композицию полимерно-битумного вяжущего материала, а также их соотношения в этой композиции, обеспечивающего достижение указанных выше свойств.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что вяжущее содержит битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла и полимера, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента содержит полимер класса термоэластопластов (блок-сополимеры бутадиена и стирола типа СБС) - ДСТ-30Р-01, растворитель пластификатор - индустриальное масло, наномодифицированное одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| ДСТ 30Р-01 | 1,1-3,4; |
| индустриальное масло | 2,2-9,4; |
| ОУНТ | 0,001-0,03; |
| битум | остальное. |
В случае приготовления полимерно-битумного вяжущего, с содержанием компонентов, не входящим в обозначенный выше интервал значений, достижение заявленного технического результата не происходит в связи с тем, что при увеличении содержания ОУНТ в полимерном компоненте вязкость вяжущего нарастает, это приводит к уменьшению его растяжимости и сокращению интервала пластичности.
Составы образцов приготовленных вяжущих приведены в таблице 1, а их характеристики в таблице 2. В таблице 1 приведены данные с одинаковым содержанием растворителя-пластификатора для адекватной сравнительной оценки составов вяжущего и установления влияния ОУНТ.
| Таблица 1 | ||||
| Состав вяжущих | ||||
| №/№ | Состав, масс.% | |||
| Обр | Битум | Растворитель-пластификатор | Наномодификатор | Стирол-бутадиен-стирол |
| Индустриальное масло И-40А | ОУНТ | ДСТ-30Р-01 | ||
| 1 | 92,970 | 5,0 | 0,3 | 2,0 |
| 2 | 91,970 | 5,0 | 0,03 | 3,0 |
| 3 | 92,998 | 5,0 | 0,002 | 2,0 |
| 4 | 91,998 | 5,0 | 0,002 | 3,0 |
| 91,999 | 5,0 | 0,001 | 3,0 |
| Таблица 2 | |||||||
| Характеристики образцов вяжущего | |||||||
| Образцы вяжущего (№/№) | Требования | Известное | |||||
| Показатели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ГОСТ Р | вяжущее |
| 52056-2003 | (прототип) | ||||||
| ПБВ60 | |||||||
| Глубина проникания иглы, 0,1 мм | |||||||
| при 25°C | 72 | 73 | 69 | 75 | 71 | 60 | 126-151 |
| при 0°C | 40 | 26 | 54 | 57 | 49 | 32 | 70-88 |
| Температура размягчения по кольцу и шару, °C | 59 | 61 | 59 | 63 | 59 | 54 | 51-61 |
| Температура хрупкости по Фассу, °C | -21 | -26 | -27 | -33 | -30 | -20 | (-26)-(-31) |
| Сцепление с | Соответствует образцу №1 | С мрамором | |||||
| мрамором или | С мрамором - 5 баллов | - 5 баллов | |||||
| песком* | С песком - 4 балла | С песком - 4 балла | |||||
| Температура вспышки, °C | 251 | - | 246-260 | ||||
| Растяжимость, см | |||||||
| при 25°C | 37 | 31 | 30,5 | 71 | 75 | 25 | 26-69 |
| при 0°C | 11 | 14 | 14,5 | 16 | 19 | 11 | 21-60 |
| Эластичность, см | |||||||
| при 25°C | 82 | 89 | 90 | 93 | 87 | 80 | 58,1-91,8 |
| при 0°C | 73 | 76 | 85 | 92 | 85 | 70 | 75-82,5 |
| Когезия, кг/см2 | 10 | 11 | 13 | 15 | 10 | - | - |
| Интервал пластичности, °C** | 80 | 87 | 86 | 99 | 89 | - | - |
| * - сцепление с мрамором или песком определяется по ГОСТ 11508-74 | |||||||
| ** - интервал пластичности определяется как разность между температурой размягчения и температурой хрупкости |
Как видно, предлагаемое вяжущее превосходит прототип по растяжимости, эластичности, адгезии, температуре хрупкости для всего интервала состава вяжущего; при этом достигается полная однородность вяжущего. Однородность распределения полимера и ОУНТ в полимерном компоненте оценивали по микрофотографиям, рис.1-2.
При приготовлении модифицированного полимерного компонента с содержанием 0,03% ОУНТ наблюдается следующее: содержание полимера в количестве 2% позволяет получить вяжущее с показателями свойств, отвечающими нормативным требованиям, однако эти показатели пограничны, увеличение количества модификатора ОУНТ в смеси изменяет такие свойства вяжущего, как растяжимость и температура хрупкости, в сторону понижения и несоответствия ГОСТ Р 52056-2003. При увеличении содержания полимера до 3% в образце вяжущего №2 показатели пенетрации при 0°C не соответствуют требованиям ГОСТ Р 52056-2003.
Заявляемое вяжущее характеризуется следующими показателями: глубина проникания иглы при 0°C значительно превышает требования ГОСТ Р 52056-2003, более того, разница между этим показателем, определенным при температуре 25 и 0°C у составов №3-№5, невелика и составляет 30-20%.
В соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 52056-2003 разница между глубиной проникания иглы при температурах испытания 25 и 0°C составляет 87%, динамика изменения глубины проникания иглы в зависимости от температуры испытания в изобретении, взятом за прототип, составляет 80-70%. Известно, что глубина проникания иглы при 0°C характеризует пластичность вяжущих при низких температурах воздуха и является их эксплуатационной характеристикой, свидетельствующей о деформативности и, следовательно, трещиностойкости асфальтобетона. Таким образом, чем выше глубина проникания иглы в вяжущее при 0°C, тем более морозо- и трещиностойким будет асфальтобетон на его основе.
Анализ температуры хрупкости обосновывает это предположение. Сопоставление данных по эластичности показывает, что при содержании ДСТ 2-3% по массе в полимерной матрице, наноармированной 0,002% ОУНТ, эластичность ПБВ достигает своего наибольшего значения - более 90% при 25°C и более 80% при 0°C.
Значительно меняется когезия полимерного вяжущего. При испытании исходного битума БНД 60/90 величина когезии, определенная на приборе когезиометр (ASTM), составила 8 кг/см2, тогда как вяжущего, приготовленного без модификации ОУНТ и с содержанием полимера, 3%-10 кг/см2.
Дальнейшее уменьшение ОУНТ в вяжущем не дает заявляемого технического результата по причине отсутствия значимого эффекта от наномодификации полимерного компонента.
На примере образцов вяжущего №3 и №4, содержащих 2% и 3% полимера соответственно, можно сделать вывод, что для приготовления ПБВ марки 60, отвечающего требованиям ГОСТ Р 52056-2003, достаточно 2% ДСТ, в то время как по традиционной рецептуре это содержание колеблется в интервале 3-4%. Таким образом, за счет варьирования содержанием масла индустриального и наномодификатора становится возможным уменьшение содержания полимера ДСТ в вяжущем.
Введение в битум полимера в виде раствора позволяет ускорить процесс получения вяжущего, понизить температурный режим процесса получения, обеспечивая образование однородной структуры, требуемую трещиностойкость вяжущего.
Кроме того, заявляемое битумное вяжущее характеризуется температурой вспышки выше 220°C, что исключает взрыво- и пожароопасность при изготовлении и применении такого вяжущего.
Варьирование компонентным составом заявленного битумного вяжущего позволяет регулировать его свойства в заданном направлении (увеличение теплостойкости/хрупкости и т.д.) и успешно использовать его в различных климатических зонах.
Техническим результатом заявленного изобретения в части способа является разработка способа (технологического процесса) однородного распределения ОУНТ и создание наноармированной матрицы полимерного компонента с последующим объединением с битумом. Заявленный способ позволяет получить высокооднородный полимерно-битумный вяжущий материал, обладающий близкими показателями условной вязкости при температурах испытания 25 и 0°C, а также повышенной эластичностью и растяжимостью при низких температурах, широким интервалом пластичности, низкой температурой хрупкости и высокими показателями когезии, адгезии и стабильности свойств. При этом заявленный способ позволяет сократить расход полимера, время приготовления смеси, а также упрощает его получение.
Достижение указанного технического результата в части способа получения полимерно-битумного вяжущего материала обеспечивается тем, что указанный материал получают путем введения при перемешивании в битум полимерного компонента, отличающийся тем, что до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента. Для его приготовления используют СБС-полимер линейного типа 1,1-3,4 мас.%, который перемешивают с предварительно приготовленным раствором из ОУНТ - 0,001-0,03 мас.% и индустриального масла И-40А - 2,2-9,4 мас.%, диспергированных до однородной массы при температуре 100-120°С. Далее производят смешение полимерного компонента с битумом БНД 60/90 - 87,2-96,7 мас.%, при этом процесс перемешивания осуществляют с поддержанием температуры смеси не более 160°C, в частности, при температуре 120-160°С.
1. Полимерно-битумное вяжущее, содержащее битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла и полимера, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента содержит полимер класса термоэластопластов - блок-сополимер бутадиена и стирола типа СБС - ДСТ-30Р-01, растворитель-пластификатор - индустриальное масло, наномодифицированное одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| ДСТ-30Р-01 | 1,1-3,4 |
| индустриальное масло | 2,2-9,4 |
| ОУНТ | 0,001-0,03 |
| битум | остальное. |
2. Способ получения полимерно-битумного вяжущего по п.1, включающий введение при перемешивании в битум полимерного компонента, отличающийся тем, что до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента путем смешивания ОУНТ с маслом индустриальным при температуре 100-120°C и последующим введением полимера, после чего полученную смесь при перемешивании вводят в битум при 120-160°C.
