РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МОДИФИКАТОР БИТУМА Российский патент 2005 года по МПК C08L95/00 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд.

Верхние слои покрытия должны обеспечивать высокие эксплуатационные качества дорог особенно на современных скоростных автомагистралях, расчетные скорости и безопасность автомобильного движения, защищать нижележащие конструктивные слои от доступа влаги и старения, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог. Одним из путей создания таких слоев может являться использование резино-битумных и полимерно-битумных вяжущих.

Изобретение относится к составам резиносодержащих полимерных модификаторов битума, которые могут быть использованы для получения резино-полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном строительстве для устройства верхних слоев покрытий дорог, строительстве аэродромов, покрытия спортивных площадок и др.

Основным компонентом используемых различных органоминеральных смесей являются вязкие дорожные битумы, удовлетворяющие требованиям (см. ГОСТ 22245 - 90). Однако зачастую используемые в дорожном строительстве битумы не соответствуют необходимым требованиям, что особенно относится к таким показателям вяжущего, как устойчивость при повышенных и пониженных температурах, адгезионным свойствам и т.п. В этих целях в последнее время широко используют битумы, модифицированные различными добавками органического и неорганического происхождения, что позволяет обеспечивать высокие эксплуатационные качества дорог.

Известны полимерные композиции, пригодные для применения в качестве модификатора битумного вяжущего [US 4829109, 09.05. 1989], состоящего из 20-50% этиленпропиленового эластомера с содержанием этилена 60-75%, 0-25% изотактического пропилена, 0-25% полиэтилена (плотностью 0,96-0,98) и 0-25% этиленвинилацетатного сополимера с содержанием этилена 60-95%. Битумная композиция содержит 70-90% битума и 30-10% указанного выше модификатора. В битумную композицию добавляются также инертные наполнители: кремнезем, каолин, смола, карбонат кальция и т.д. [патент US 4829109, С 08 L 95/00, 31/04, 23/12, 23/16, 1989]. Недостатком получаемой битумной композиции является высокая температура хрупкости, равная от -6 до -15°С.

Известен модификатор битума [патент РСТ WO/08866, A1, 17.11.1988] и применение его в битумных композициях (патент РСТ (WO) 88/08866, C 08 L 95/00, 23/02 (1988). Модификатор содержит 1-85% смазочных масел, 1-70% полимеров и 1-90% добавок. Достоинством модификатора является возможность вторичного использования масел, даже уже не пригодных к обычной эксплуатации. Недостатком указанной добавки является использование больших (до 30-50%) количеств дорогих синтетических полимеров и значительная липкость модификатора за счет большого содержания в нем жидких масел, что создает сложности при работе с ним и при транспортировке.

Наиболее близким по технической сущности является полимерный модификатор битума, получаемый в удобной форме для транспортировки и прямого введения в битумную массу на месте ее использования в дорожном строительстве с низкой температурой хрупкости и повышенной температурой размягчения (патент RU 2158742, С1 2000.11.10), содержащий:

Дорожный битум БНД 60/90 или 90/13050-80Резиновая крошка10-25Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-31-5Сополимер этилена с пропиленом или полиэтилен высокого давления ПВЭД1-10Масло минеральное (соляровое, индустриальное масло И-8А, нафтапласт)1-15

Существенным недостатком указанного полимерного модификатора является то, что поставленная задача решается тем, что в качестве модифицирующей добавки модификатор битума содержит предварительно деструктурированную в битуме резиновую крошку. Однако известно, что при деструкции каучуков происходит старение и потеря их качества. Резиновая крошка, подвергнутая деструктуризации, теряет ряд ценных свойств, присущих каучукам. Кроме того, в процессе деструктуризации резиновой крошки в разогретом до 250°С битуме (в течение 30 минут) в битумном вяжущем будет интенсивно протекать его старение, что в дальнейшем может отрицательно сказаться на долговечности покрытия, в котором было использовано такое вяжущее.

Задача изобретения - разработка полимерного модификатора битума, позволяющего получать на базе дешевых компонентов битумное вяжущее с более высокой температурой размягчения и более низкой температурой хрупкости путем девулканизации резиновой крошки, без ее деструктуризации при повышенных температурах в битуме.

Сущность изобретения заключается в том, что резиносодержащий полимерный модификатор битума, включающий битум, полиэтилен, резиновую крошку, в качестве пластифицирующей добавки используется мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительная, при этом полиэтилен вводится вторичный как низкого, так и высокого давления при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Битум (БНД 60/90 или БНД 90/130)47-62Мазут марки 1002-5Резиновая крошка30-35Вторичный полиэтилен (ПЭ)3-7Известь строительная3,0-6,0

При приготовлении полимерного модификатора битума использовали битум БНД 60/90 (наиболее часто применяемый в условиях средней полосы и южных регионах России); резиновую крошку с диаметром частиц до 0,5-0,9 мм (отход производства резинотехнических изделий); вторичный полиэтилен (ПЭ) как низкой, так и высокой степени плотности, мазут марки 100 и неорганическое основание Са(ОН)₂ - известь строительную.

Модификатор готовят следующим образом. В разогретый до 160°С битум добавляют мазут, перемешивают 3-5 мин, затем вводят резиновую крошку, смешанную с известью строительной, продолжают нагревать (в течение 3-4 часов для набухания крошки при этой же температуре (160°С).

Вторичный полиэтилен (ПЭ) совмещают в отдельной порции с битумом в соотношении 1:1 при температуре 150-160°С. При этом битум подается постепенно при перемешивании в разогретый ПЭ. Количество введенного битума учитывается в общем его содержании.

Приготовленная смесь полиэтилена в битуме перемешивается при 150-160°C с ранее описанной смесью (битум+мазут+резиновая крошка+известь строительная), затем все вместе подается в экструдер и гранулируется. Предлагаемый модификатор битума получают в виде твердых нелипнувших гранул, размером в диаметре 0,5-0,6 мм, он пластичен, легко режется ножом и может быть легко введен в заданном соотношении в разогретый битум непосредственно на месте проведения дорожно-строительных работ. Это исключает проведение сложных операций приготовления полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) на основе дорогостоящих полимерных устройств, например коллоидных мельниц, и применение в этих целях пластифицирующих добавок типа индустриальных масел (до 8-10%), как правило, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства вяжущего. Кроме того, использование предложенного модификатора исключает необходимость перевозки приготовленного ПБВ в обогреваемых битумовозах.

Предлагаемый модификатор битума содержит предварительно девулканизированную в битуме резиновую крошку диаметром частиц 0,5-0,9 мм, являющейся отходом производства резинотехнических изделий. Крошка - вторично перерабатываемый полимер, использование ее позволяет утилизировать отходы резинотехнических изделий, в частности, скопившиеся в больших количествах отходы использованных шин и покрышек. Введение резиновой крошки в состав битумного вяжущего позволяет уменьшить расход дорогостоящих полимерных материалов и значительно удешевить модификатор битумного вяжущего.

Процессы девулканизации крошки, протекающие при перемешивании ее с битумным вяжущим в присутствии пластифицирующей добавки - мазута и неорганического основания (извести строительной), приводят к частичному распаду вулканизационной сетки в резине, способствуя более гомогенному смешиванию ее с битумом, с образованием вязкой пастообразной массы.

Введение в состав модификатора 3-7% полимерной добавки - вторичного полиэтилена (ПЭ) - способствует при смешении в экструдере с набухшей крошкой образованию твердых нелипнувших гранул с повышенными температурами размягчения и интервалом пластичности.

Использование в составе модификатора мазута в количестве 3-5% в сочетании с 1-3% неорганического основания - гашенной известью - способствует ускорению процесса девулканизации резиновой крошки, сокращая длительность процесса набухания полимерных цепей добавляемой резины.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Битум

Использовался битум нефтяной дорожный БНД 60/90. В табл. 1 представлены его физико-механические показатели. По показателям свойств исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Мазут

Использовался мазут, соответствующий марке 100 по ГОСТ 10585-99 "Топливо нефтяное. Мазут". В табл. 2 приведены его физико-химические показатели.

3. Известь строительная

Известь строительная применялась воздушная, гидратная (гашеная), соответствующая требованиям ГОСТ 9179-77. В табл. 3 приведены показатели свойств извести.

4. Вторичный полиэтилен (ПЭ)

Использован вторичный полиэтилен, отход полиэтилена высокой плотности (упаковочный материал и тара). В табл. 4 приведены его основные физико-механические характеристики.

5. Резиновая крошка

Использовалась резиновая крошка диаметром 0,5-0,9 мм (отход производства резинотехнических изделий).

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов резиносодержащего полимерного модификатора. В качестве используемых материалов использовались вышеописанные компоненты (битум, мазут, известь строительная, вторичный полиэтилен (ПЭ) и резиновая крошка).

За основные характеристики резиносодержащего полимерного модификатора приняты: температуры размягчения и хрупкости.

Образцы модификатора изготавливались следующим образом. Предварительно совмещали в соотношении 1:1 полиэтилен с битумом путем подачи в нагретый до 150-160°С вторичный полиэтилен расплавленного битума, при перемешивании до образования однородной массы.

В другой порции в разогретый до 160°С битум добавляли мазут, перемешивали 3-5 мин, вводили резиновую крошку, предварительно смешанную с известью, все вновь перемешивали и нагревали в течение 3-4 часов, после чего совмещали (также при перемешивании) с ранее приготовленным составом: вторичный полиэтилен - битум. Далее приготовленная композиция пропускалась через экструдер с последующим гранулированием. В табл. 5 представлен состав и свойства полученного модификатора в сравнении с прототипом.

Из данных табл. 5 следует, что резиносодержащий полимерный модификатор битума предлагаемого состава обеспечивает повышение температуры размягчения и температуры хрупкости, значения которых превосходят параметры известных, например, по патенту RU 2158742 C1 (при применении полиэтилена высокого давления).

Разработанный модификатор используют для приготовления резино-полимерно-битумных вяжущих (РПБВ) путем добавления его в дорожный битум в соотношении 10-20 мас.% модификатора на 90-80 мас.% битума. Состав и свойства РПБВ, получаемых с применением предлагаемого модификатора, приведены в табл. 6-8. Содержание компонентов дано в мас.%.

Как видно из данных табл. 6-8, вяжущее содержит большее количество (почти в 2,5 раза) резиновой крошки по сравнению с известным. Введение в модификатор большего количества крошки (более 3,5%) нецелесообразно, т.к. в процессе перемешивания при приготовлении образуется очень вязкая, трудноперемешиваемая масса.

Предложенный модификатор позволил получить РПБВ с более низкой температурой хрупкости на 15-25% и более высокой температурой размягчения на 20-45% по сравнению с исходным битумом, что обеспечивает их эффективное применение для дорожных покрытий, работающих в условиях больших перепадов температур. Модификатор лишен липкости, может транспортироваться в удобной форме в виде гранул, пригоден для прямого введения в разогретый битум на месте его использования.

Использование в составе битумного вяжущего разработанного модификатора позволяет повысить сроки эксплуатации покрытий в 1,5 и более раза, устойчивость к образованию трещин, замедлять старение покрытий, снижать уровень шума, слепимость водителей транспортных средств, делает возможным избегать применение противогололедных средства и др.

Таблица 1ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОБЫ БИТУМА БНД 60/90, ДОСТАВЛЕННОЙ В ДОРТРАНСНИИ 8.04.04 ОАО "ДРСУ"№ п/пНаименование показателейПоказатели битума1.Глубина проникания иглы, 0,1 мм,
при 25°С
при 0°С87
252.Растяжимость битума, см,   при 25°С100 при 0°С4,13.Температура размягчения битума, °С474.Изменение температуры размягчения после прогрева, °С45.Температура хрупкости, °С-186.Температура вспышки, °С2337.Индекс пенетрации-0,598.Сцепление вяжущего с минеральными материалами основных породУдовл.

Таблица 2ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЗУТА МАРКИ 100№ п/пНаименование показателяЗначения1.Вязкость при 80°С, условная, градусы ВУ14,92.Вязкость при 80°С, кинетическая, м²/с (сСТ)116,7·10^-63.Вязкость при 100°С, условная, градусы ВУ5,94.Вязкость при 100°С, кинетическая, м²/с (сСТ)48,7·10^-65.Зольность, %0,146.Массовая доля механических примесей, %0,977.Массовая доля воды, %0,058.Содержание водорастворимых кислот и щелочейОтсутствуют9.Массовая доля серы, %1,210.Температура вспышки, °С в открытом тигле190

Таблица 3ПОКАЗАТЕЛИ СВОЙСТВ ИЗВЕСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙНаименование показателяНорма для извести гидратной, % по массе5. Активные СаО+MgO606. Содержание СО₂57. Непокасившиеся зерна16

Таблица 4ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСПОЛЬЗОВАННОГО В РАБОТЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА (ПЭ)ПоказательЗначение1. Предел прочности при растяжении, МПа15,52. Относительное удлинение при разрыве, %1653. Морозостойкость, °С45

Таблица 5СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ№ п/пСодержание компонентов, мас.%СвойстваБитум БНД 60/90Мазут марки 100Резиновая крошкаПЭИзвесть Са(ОН)₂МаслоКаучук СКИТемпература, °СРазмягченияХрупкости158,013821--70-23262,023033--78-26353,043454--89-27447,053576--92-26555,033642--75-24Известный680,0-105-2,52,553-20785,0-101-2,02,052-23

Таблица 6СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 10%)№ п/пСодержание компонентов, мас.%СвойстваБитум БНД 60/90Мазут марки 100Резиновая крошкаПЭИзвесть Са(ОН)₂МаслоКаучук СКИТемпература, °СРазмягченияХрупкости196,20,23,00,30,3--5721,0295,30,43,40,50,4--6021,2394,70,53,50,70,6--6422,0Известный496,5-1,51,0-0,50,548-19598,0-1,00,5-0,250,2547-17

Таблица 7СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 15%)№ п/пСодержание компонентов, мас.%СвойстваБитум БНД 60/90Мазут марки 100Резиновая крошкаПЭИзвесть Са(ОН)₂МаслоКаучук СКИТемпература, °СРазмягченияХрупкости194,30,304,50,450,45--62-21,4292,950,605,10,750,60--64-21,9392,050,755,251,050,9--67-22,6Известный494,75-2,251,5-0,750,3850-20597,00-1,50,75-0,380,3848-18

Таблица 8СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 20%)№ п/пСодержание компонентов, мас.%СвойстваБитум БНД 60/90Мазут марки 100Резиновая крошкаПЭИзвесть Са(ОН)₂МаслоКаучук СКИТемпература, °СРазмягченияХрупкости192,40,46,00,60,6--6322,6290,60,86,81,00,8--66-22,9389,41,07,01,41,2--69-23,1Известный693,0-3,02,0-1,01,051-19796,0-2,01,0-0,50,549-17

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд. Сущность изобретения: резиносодержащий полимерный модификатор битума включает битум, полиэтилен, резиновую крошку, в качестве пластифицирующей добавки используют мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительная, при этом полиэтилен вводят вторичный как низкого, так и высокого давления. Модификатор содержит, мас.%: битум БНД 60/90 47-62, мазут марки 100 2-5, резиновая крошка 30-35, вторичный полиэтилен (ПЭ) 3-7, известь строительная 3,0-6,0. Технический результат: повышение температуры размягчения, снижение температуры хрупкости. 8 табл.

Резиносодержащий полимерный модификатор битума, включающий битум, полиэтилен, резиновую крошку, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используется мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительная, при этом полиэтилен вводится вторичный как низкого, так и высокого давления при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум БНД 60/9047-62Мазут, марки 1002-5Резиновая крошка30-35Вторичный полиэтилен (ПЭ)3-7Известь строительная3,0-6,0