полимерно-битумное вяжущее и способ его получения

Описание изобретения к патенту

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.