КАТИОННАЯ БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА Российский патент 2004 года по МПК C08L95/00 C08L9/00 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано при устройстве тонкослойных поверхностных обработок дорожных одежд, для приготовления холодных смесей, при строительстве и ремонте дорожных покрытий и т.п.

В этих целях в мировой практике широкое применение получили битумные эмульсии катионного типа, позволяющие равномерно распределять вяжущее более тонкими слоями, упрощать технологию производства работ ввиду возможности применения эмульсий в холодном состоянии, проводить работы в сырую прохладную погоду и т.п.

Одним из компонентов битумных дорожных эмульсий являются вязкие дорожные битумы, выпускаемые в нашей стране по ГОСТ 22245-90, которые зачастую не соответствуют этому ГОСТу, в частности, по таким показателям как устойчивость при низких и повышенных температурах (температуры хрупкости и размягчения), отличаются низкими адгезионными свойствами, отсутствием эластичности, что безусловно сказывается на качественных показателях эмульсий. Кроме того, используемые для приготовления эмульсий отечественные эмульгаторы, как правило, не позволяют получать эмульсии класса ЭБК-3, необходимый класс для получения различных эмульсионно-минеральных смесей (ЭМС): плотных, пористых, литых и др. для устройства слоев покрытий дорожных одежд.

В связи с этим для повышения качественных показателей дорожных битумных эмульсий целесообразно использовать различные полимерные и поверхностно-активные вещества, способные модифицировать как дисперсную фазу эмульсий (битумы), так и дисперсионную среду (вода + эмульгатор + стабилизирующие добавки).

Основным недостатком известных катионных битумных эмульсий являются сравнительно низкие показатели стабильности, однородности и сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами, сложность регулирования скорости распада.

Известен состав битумной катионной эмульсии для дорожного строительства, включающий битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду (а.с. СССР 1359281, кл. С 08 L 95/00, С 04 В 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 катионоактивной эмульсии для дорожного строительства, включающей соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду (патент RU 2184753 С1, С 08 L 95/00, С 04 В 26/26). Эмульсия обладает улучшенным показателем сцепления пленки вяжущего с минеральным материалом при сохранении повышенной стабильности при хранении.

Однако недостатком этой эмульсии является 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” к 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. Особенно к минеральным материалам кислых пород (к сожалению, в патенте не указан характер используемого минерального материала). Кроме того, все используемые в этой работе ПАВ в качестве эмульгаторов синтезированы авторами в лабораторных условиях и промышленного производства не имеют.

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является битумная дорожная эмульсия [Эмульсии битумные дорожные. Технические условия. ГОСТ 18659-81. Опубликовано: Государственным комитетом СССР по делам строительства. Москва. 14 стр.], содержащая битум, катионный эмульгатор, кислоту и воду. В качестве катионоактивного эмульгатора используют ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов и четвертичных солей аммония, массовая доля битума с эмульгатором составляет 45-55%.

Недостатком такой эмульсии является сложность регулирования скорости ее распада и вязкости, недостаточная стабильность, сцепляемость с минеральными материалами, и недостаточно низкая температура хрупкости битума, невысокий интервал пластичности вяжущих и отсутствие в нем свойств эластичности [ГОСТ 22245-90].

Задачей изобретения является улучшение сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами как кислых, так и основных пород, увеличение времени распада эмульсии, необходимого для приготовления и укладки различных эмульсионно-минеральных смесей (плотных, пористых, для поверхностных обработок), повышение свойств битумного вяжущего: эластичности, улучшение интервала пластичности, температуры хрупкости и др.

Сущность изобретения заключается в том, что катионная битумная эмульсия для дорожного строительства, содержащая битум нефтяной дорожный, катионный эмульгатор, соляную кислоту, хлорид кальция и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит неонол АФ 9-8 и каучуковую добавку СВБ-М, являющуюся раствором в индустриальном масле полибутадиенового каучука с вязкостью по Муни не менее 25, в качестве катионного эмульгатора - 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, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Битум БНД 60/90 45,00-65,00

Катионный эмульгатор КАДЭМ-ВТ 2,50-3,50

Каучуковая добавка СВБ-М 1,1-1,7

Хлорид кальция 0,08-0,12

Соляная кислота 0,40-0,60

Неонол АФ 9-8 (моноалкилфенол) 0,50-0,70

Вода Остальное

Использование раствора СВБ-М (см. таблицу 1) позволяет улучшить физико-механические свойства вяжущего (СВБ-М - синтетический высокомолекулярный полибутадиеновый каучук - модифицированный):

- растяжимость при 25°С увеличивается в 1,3 раза, при 0°С - более чем 20 раз;

- интервал пластичности повышается в 1,2 раза;

- понижается температура хрупкости в 2 раза.

Каучук, содержащийся в добавке в активном состоянии, химически взаимодействуя с активными центрами асфальтенов битума, образует с последними сопряженную асфальтено-полимерную структуру. В результате создается новая система химически связанных друг с другом макромолекул, которые теряют способность растворяться, вяжущее приобретает улучшенные физико-механические показатели (температура хрупкости, растяжимость, эластичность и т.п.).

Использование в качестве эмульгатора поверхностно-активной добавки “Катионного реагента КАДЭМ-ВТ (катионный адгезив – эмульгатор - высокотемпературный)” позволило получать устойчивые эмульсии и почти в два раза сократить расход эмульгатора по сравнению с дорогостоящими эмульгаторами зарубежного и отечественного производства. Стоимость КАДЭМ-ВТ на 10-15% ниже отечественных и в 2-3 раза зарубежных.

В качестве стабилизаторов эмульсии использовался наиболее часто употребляемый в этих целях хлорид кальция и дополнительно вводимый водорастворимый полимер неонол АФ 9-8 (моноалкилфенол).

Использование неонола совместно с синтетическим высокомолекулярным каучуком (СВБ-М) и ПАВ - эмульгатором КАДЭМ-ВТ позволяет направлено регулировать в широких пределах некоторые эксплуатационные свойства катионных битумных эмульсий: скорость распада, вязкость, сцепляемость с минеральными материалами, снижение температуры хрупкости и создание эластичных свойств вяжущего, что в комплексе позволяет получать необходимый класс эмульсий, в данном случае класс ЭВК-3, для эмульсионно-минеральных смесей, повышая их трещиностойкость, водо- и коррозионную устойчивость.

Анализ известных технических решений показал, что применение в составе катионных битумных эмульсий каучуковых и стабилизирующих добавок в сочетании с поверхностно-активными реагентами известны. Однако их применение не обеспечивает битумным эмульсиям такие свойства, которые они проявляют в заявляемом решении, а именно получение эмульсии с регулируемыми сроком распада и вязкостью, со значительным увеличением сцепления вяжущего с минеральными материалами, как основного, так и кислотного характера, улучшенной температурой хрупкости и эластичности битумного вяжущего, что в целом повышает коэффициент водостойкости, прочностные характеристики смесей на их основе и долговечность дорожного покрытия. Таким образом, данный состав компонентов придает катионной битумной эмульсии иные свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию “существенные отличия”.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Битум.

Использовался битум нефтяной дорожный БНД 60/90. В таблице 2 представлены его физико-механические свойства. По показателям свойств исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Катионный реагент КАДЭМ-ВТ.

Использовался катионный реагент КАДЭМ-ВТ производства ОАО НИИПАВ, г. Волгодонск. Реагент КАДЭМ-ВТ изготавливается из кислот растительного или животного происхождения фракции C₁₆-С₂₀ и поли-этиленполиамина.

По органолептическим и физико-химическим показателям реагент КАДЭМ-ВТ удовлетворяет требованиям и нормам, указанным в таблице 3.

3. СВБ-М.

Синтетический высокомолекулярный полибутадиеновый каучук, модифицированный СВБ-М.

Синтетический высокомолекулярный полибутадиеновый каучук СВБ-М представляет собой полибутадиен с преимущественным содержанием винильных звеньев. Продукт получается путем полимеризации бутадиена в растворе под действием катализаторов смешанного типа с последующим выделением каучука из раствора и его модернизации различными маслами (индустриальным, минеральным и др.).

В работе использовался масляный раствор в индустриальном масле полибутадиенового каучука, содержащего 45,8% винильных звеньев с вязкостью по Муни не менее 25 у.е. с концентрацией каучука 19,7 мас.%.

4. Неонол (водорастворимый моноалкилфенол).

Неонол (оксиэтилированный моноалкилфенол) получен на основе тримеров пропилена (изонила). Использовался в работе неонол АФ 9-8, где 9 - число атомов углерода в алкильном радикале, 8 - усредненное число молей окиси этилена в алкильном радикале. Выпускается неонол АФ 9-8 ОАО НижнеКамскнефтехим и относится к водорастворимым неионогенным поверхностно-активным веществам (НПАВ), имеет температуру застывания от -2 до +2°С, плотность при 20°С - 1062±3 кг/м³. Внешний вид неонола АФ 9-8 - прозрачная маслянистая жидкость от бесцветного до желтоватого цвета с рН=7±1. Массовая доля присоединенной окиси этилена 61,5±1,5%.

5. Вода.

Вода для приготовления эмульсий использовалась с жесткостью 6 мг-экв/л.

6. Соляная кислота.

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

7. Хлорид кальция.

Хлорид кальция соответствует ГОСТ 450-77.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов катионных битумных эмульсий.

Приготовление катионной битумной эмульсии производили в следующем порядке. Добавка СВБ-М вводилась в разогретый до 120-130°С битум и перемешивалась в течение 5 минут в лабораторной установке для модифицирования битумов. На основе подготовленного таким образом вяжущего (битума с добавкой СВБ-М) приготавливалась катионная битумная эмульсия путем смешения модифицированного битума с эмульсионно-водным раствором (вода + эмульгатор КАДЭМ-ВТ + соляная кислота + неонол АФ 9-8 + хлористый кальций) и совместного диспергирования при температуре 90-95°С.

Образцы приготовленных эмульсий испытывались в соответствии с ГОСТ 18659-81, показатели свойств модифицированного СВБ-М битума - по ГОСТ 22245-90. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 4.

Из данных таблицы 4 следует, что катионная битумная эмульсия предлагаемого состава обеспечивает повышение сцепления вяжущего с минеральными материалами кислых и основных пород, увеличивает время распада эмульсий, что необходимо при работе с ЭМС, повышает вязкость эмульсий, понижает температуру хрупкости, увеличивает интервал пластичности и создает эластичные свойства битумного вяжущего.

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано при устройстве тонкослойных поверхностных обработок дорожных одежд, для приготовления холодных смесей, при строительстве и ремонте дорожных покрытий и т.п. Катионная битумная эмульсия для дорожного строительства содержит 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, при следующем содержании компонентов, мас.%: битум БНД 60/90 45,00-65,00, каучуковая добавка СВБ-М 1,1-1,7, катионный эмульгатор КАДЭМ-ВТ 2,50-3,50, хлорид кальция 0,08-0,12, соляная кислота 0,40-0,60, неонол (моноалкилфенол) 0,50-0,70, вода - остальное. Достигается повышение сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами как кислых, так и основных пород, увеличение времени распада эмульсий, необходимого для приготовления и укладки различных эмульсионно-минеральных смесей: плотных, пористых, для поверхностных обработок, повышение свойств битумного вяжущего: эластичности, улучшение интервала пластичности и температуры хрупкости. 4 табл.

Катионная битумная эмульсия для дорожного строительства, содержащая битум нефтяной дорожный, катионный эмульгатор, соляную кислоту, хлорид кальция и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит неонол АФ 9-8 и каучуковую добавку СВБ-М, являющуюся раствором в индустриальном масле полибутадиенового каучука с вязкостью по Муни не менее 25, в качестве катионного эмульгатора - катионный эмульгатор КАДЭМ-ВТ, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции С₁₆-С₂₀ и полиэтиленполиамина, имеющего аминное число, мг HCl/г не менее 150 и кислотное число, мг КОН/г 0-6, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Битум БНД 60/90 45,00-65,00

Катионный эмульгатор КАДЭМ-ВТ 2,50-3,50

Каучуковая добавка СВБ-М 1,1-1,7

Хлорид кальция 0,08-0,12

Соляная кислота 0,40-0,60

Неонол АФ 9-8 (моноалкилфенол) 0,50-0,70

Вода Остальное