Модифицирующая добавка
Владельцы патента RU 2781192:
Шварцман Дмитрий Игоревич (RU)
Напартович Максим Анатольевич (RU)
Гершевич Марк Иосифович (RU)
Изобретение относится к модифицирующей добавке для улучшения эксплуатационных свойств битумов и асфальтобетона, включающей смесь углеродных наноматериалов. Добавка характеризуется тем, что углеродные наноматериалы распределены в матрице нефтяного экстракта марки А и включают одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, графен и углеродные нановолокна при следующем соотношении компонентов, масс. %: одностенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%, многостенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%, графен - 0,01 - 7,5%, углеродные нановолокна - 0,01 - 7,5%, нефтяной экстракт - остальное. 2 ил.
Изобретение относится к области строительного производства в автодорожной отрасли и может быть применено при изготовлении асфальтобетона, в том числе с использованием нанотехнологий.
Дорожное покрытие является дорогостоящим и сложным в строительстве и в содержании инженерно-техническим сооружением. Подбор оптимального битумного вяжущего вместе с гранулометрическим составом щебня исходя из эксплуатационных условий конечного дородного полотна остается самой приоритетной задачей в настоящее время.
Битумные вяжущие, даже подобранные согласно принятым государственным стандартам, не всегда могут обеспечить требуемый межремонтный пробег асфальтобетонных смесей. Именно недостаточное качество битумных смесей является главной причиной низкой долговечности асфальтобетонов (хрупкость в температурном диапазоне ниже -20°C в сочетании с сильным размягчением в диапазоне выше 50°C).
Для удовлетворения реальных требований климатических условий окружающей среды и особенностей автомобильного трафика необходимо использование различных добавок и модификаторов в составе битумных вяжущих. Часто в качестве таких модификаторов применяются добавки на основе стирол-бутадиен-стирол.
Наиболее близким по технической сущности является способ введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия и применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок (патент RU 2675515, Опубликовано: 19.12.2018 Бюл. № 35). Способ заключается во введении одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия посредством размешивания на измельчающих и валковых мельницах. Недостатком данного технического решения является многостадийность и высокое энергопотребление.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи по созданию новой технологии, обеспечивающей получение асфальтобетона с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Задача решается тем, что модифицирующая добавка включает смесь углеродных наноматериалов, которые распределены в матрице нефтяного экстракта марки А, и включают одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, графен и углеродные нановолокна при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- одностенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- многостенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- графен - 0,01 - 7,5%,
- углеродные нановолокна - 0,01 - 7,5%,
- нефтяной экстракт – остальное.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является добавка, приводящая к улучшению эксплуатационных свойств битумов и асфальтобетона.
Модифицирующая добавка представляет собой углеродный наноматериал (УНМ), распределенный в матрице нефтяного экстракта марки А при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- одностенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- многостенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- графен - 0,01 - 7,5%,
- углеродные нановолокна - 0,01 - 7,5%,
- нефтяной экстракт – остальное.
Одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, графен и углеродные нановолокна используются любых производителей и марок.
Добавка получается путем введения углеродного наноматериала в нефтяной экстракт марки А на трехвалковой мельнице с отводом тепла теплоносителем.
Получаемый продукт представляет собой пластическую массу.
Ниже приведены примеры различных составов модифицирующей добавки.
Пример 1
Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки - 0,01 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 2 %,
- графен - 0,01 %,
- углеродные нановолокна - 7,5%,
- нефтяной экстракт – 90,48.
Пример 2
Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки – 7,5 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 7,5 %,
- графен - 0,01 %,
- углеродные нановолокна – 0,01%,
- нефтяной экстракт – 84,98.
Пример 3
Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки – 2,5 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 0,01 %,
- графен - 5 %,
- углеродные нановолокна – 1,5%,
- нефтяной экстракт – 90,99.
Пример 4
Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки – 6,2 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 3 %,
- графен - 1 %,
- углеродные нановолокна – 0,1%,
- нефтяной экстракт – 89,7.
Пример 5. Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки – 5,4 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 0,1 %,
- графен – 7,5 %,
- углеродные нановолокна - 2%,
- нефтяной экстракт – 85.
Пример 6. Модифицирующая добавка включает:
- одностенные углеродные нанотрубки – 3,7 %,
- многостенные углеродные нанотрубки – 3,2 %,
- графен – 2 %,
- углеродные нановолокна - 5%,
- нефтяной экстракт – 86,1.
Данную добавку используют для модификации битумов дорожных.
Битум в дорожном покрытии должен связывать в монолит минеральные материалы (скелет) и не разрушаться при тех деформациях, которые возникают в конструкции в условиях эксплуатации в течение длительного времени в широком интервале температур. Прочность и долговечность пленок битума в значительной степени зависят от деформативных свойств битума, определяющих его поведение под нагрузкой.
Были проведены испытания на определение основных показателей битума с заявляемой добавкой и без неё, результаты которых приведены в таблице 1.
Исходя из результатов испытаний приготовленной пробы БНД были сделаны выводы, что при введении модифицирующей добавки согласно заявленному изобретению происходит:
- значительное повышение динамической вязкости в сравнении с вязкостью исходного БНД 70/100. Так при температуре 60°C вязкость контрольного битума составила 23,6 Па⋅с, в то время как вязкость модифицированного битума определить с помощью вискозиметра не удалось. При 135°C вязкость модифицированного битума увеличилась в 2,9 раза по сравнению с исходным БНД;
- существенное снижение глубины проникновения иглы при 25°C (пенетрации) по сравнению с исходным БНД, пенетрация битума с модифицирующей добавкой снизилась на 38%;
- возрастание температуры размягчения по КиШ в сравнении с исходным БНД 70/100. Битум с модифицирующей добавкой имеет температуру размягчения на 11°C выше, чем контрольная проба;
- значительное уменьшение растяжимости (дуктильности). Растяжимость битума с модифицирующей добавкой уменьшилась на 128 мм относительно контрольной пробы.
По результатам тестирования было принято решение об испытании колеестойкости асфальтобетона на основе БНД с модифицирующей добавкой. Для подбора состава горящей щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМА) использовались минеральные материалы типа габбро-диабаз. Минеральные материалы, подобранные для исследования, соответствуют требованиям нормативно-технической документации ГОСТ 8267-93, ГОСТ 31424-2010, ГОСТ Р 52129-2003. В таблице 2 приведены результаты данных испытаний.
Введение модифицирующей добавки различного состава (из указанных ниже) в количестве 0,01-3,0% от массы битума привело к изменению основных деформативных свойств дорожного битума. При низких температурах происходит пластификация вяжущего, тогда как при высоких температурах его твердость увеличивается. Увеличение пенетрации при повышенных температурах объективно коррелирует с общеизвестными данными о введении в битум тонкодисперсных наполнителей. Увеличение твердости битума объясняется повышением степени упорядоченности ассоциатов, образованных углеродными добавками и групповыми элементами битума.
Введение модифицирующей добавки позволяет расширить интервал рабочих температур битума, снижая температуру его хрупкости и повышая температуру его размягчения.
При добавлении модифицирующей добавки наблюдается рост относительной работы адгезии, силы сцепления между битумом и щебнем приближаются по величине к силам сцепления молекул самого битума, что способствует формированию материала с однородной бездефектной структурой.
При введении модифицирующей добавки происходит увеличение динамической вязкости битумов, что положительно сказывается на работе вяжущего в составе асфальтобетонного композита.
Таким образом, заявленная добавка позволяет:
- значительно увеличить сдвигоустойчивость битума,
- повысить динамическую вязкость битума,
- значительно снизить пенетрацию битума.
Чертежи и иные материалы
Таблица №1. Показатели физико-механических свойств битума БНД 70/100 исходного и с модифицирующей добавкой, замешивание на фрезе, 20 мин (см. в графической части).
Таблица №2. Показатели физико-механических свойств битума БНД 70/100 исходного и с УНМ, замешивание на фрезе, 20 мин (см. в графической части).
Модифицирующая добавка для улучшения эксплуатационных свойств битумов и асфальтобетона, включающая смесь углеродных наноматериалов, отличающаяся тем, что углеродные наноматериалы распределены в матрице нефтяного экстракта марки А и включают одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, графен и углеродные нановолокна при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- одностенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- многостенные углеродные нанотрубки - 0,01 - 7,5%,
- графен - 0,01 - 7,5%,
- углеродные нановолокна - 0,01 - 7,5%
- нефтяной экстракт – остальное.
