ЭМУЛЬСИОННЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА Российский патент 2006 года по МПК C08L95/00 

Изобретение относится к области производства эмульгированных связующих, используемых при дорожном строительстве и ремонте для пропитки щебеночных и гравийных оснований, восстановления верхнего защитного слоя автодорог, обеспыливания грунтовых, щебеночных, асфальтированных дорог и аэродромов, при ямочном ремонте автодорог и закреплении откосов насыпей и водоотводных канав. Эмульсии также могут применяться для смазывания внутренних поверхностей емкостей с целью предотвращения примерзания к ним дисперсного материала (например, кокса), при хранении и перевозках при отрицательных температурах; для предотвращения или снижения ветровой эрозии и пылеуноса песчаных грунтов (например, пустынь, зоны сахеля), для поверхностной обработки пылящих материалов и гидроизоляции строительных конструкций.

Уровень техники заключается в следующем.

Известна битумная эмульсия для дорожного строительства, содержащая в качестве основного вещества битум и эмульгатор, полученный путем омыления жирового отхода от производства хлопкового масла. Состав содержит 50-55% мас. битума, 0,5-1% эмульгатора, гидроокись натрия или калия - до 0,4%, остальное - вода (Патент RU 2185878, МПК C 01 L 95/00, 2002 г.). При использовании этого состава для приготовления асфальтобетона эмульсия взаимодействует с его минеральным наполнителем и распадается с выделением микродисперсного битума, в результате чего частицы асфальтобетона скрепляются друг с другом.

Недостатком известного состава является сравнительно невысокая устойчивость эмульсии, а также постепенное снижение прочности сцепления битума с веществом минерального наполнителя из-за частичного вымывания битума водой, особенно в весенне-осенний периоды. Это связано со слабой гидрофильностью окисленного битума, имеющего в своем составе кислородные соединения, которые постепенно вымываются из его объема.

Также известна битумная эмульсия для дорожного строительства (Патент RU 2134704, МПК C 01 L 95/00, 1999 г.), включающая окисленный битум, катионный эмульгатор, воду и загуститель, причем последний включает в себя вещество неионного типа. В этом составе согласно изобретению загустителем являются уретанэтоксилаты. Недостатком известного состава является необходимость введения в состав эмульсии нейтрализующего вещества, вводимого в основную эмульсию в виде второй эмульсии обратного типа, что в значительной степени усложняет технологию приготовления этого материала. Недостатком является также применение в качестве связующего окисленного битума, изменяющего свои свойства при длительном контакте с водой во время длительной эксплуатации автодороги.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является состав «Катионоактивная битумная эмульсия и эмульгирующая добавка в эмульсию» (Патент RU 2200173, МПК C 01 L 95/00, 2003 г.). Эмульсия содержит 30-70% мас. окисленного битума, не менее 0,3% катионоактивного эмульгатора, 1-2 хлорида кальция. Эмульгирующая добавка содержит смесь полиэтиленполиамина и его соли жирных и/или смоляных кислот при весовом соотношении полиэтиленполиаминов и их солей от 30:70 до 40:60. Основным недостатком известного состава является применение в качестве вяжущего окисленного битума, который при длительном контакте с водой снижает свою склеивающую способность, в результате чего механические характеристики асфальтобетона ухудшаются со временем.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи - получение устойчивой водной эмульсии, повышающей стабильность адгезионных свойств асфальтобетонов, полученных на ее основе, при длительном контакте с водой.

Решение задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в том, что в качестве связующего используют асфальт - побочный продукт установок деасфальтизации гудронов жидким пропаном, не находящий квалифицированного применения в чистом виде, или его смеси с гудроном. Асфальт и гудрон не подвергаются окислению, в связи с чем они являются более гидрофобными соединениями, чем окисленный битум. А в качестве эмульгатора используют неионогенный алкилфенол Аф_9-12, имеющий товарное наименование «Неонол». При этом в соответствии с направлением использования и для увеличения срока хранения эмульсии состав дополнительно может содержать компонент - продукт поликонденсации остатков кубовых при производстве аминов С₁₇-С₃₀ и остатков кубовых при производстве капролактама, являющийся 20-30% раствором в керосине аминосодержащих продуктов (аминов, иминов и аминоспиртов) с аминным числом не менее 100 мг КОН/г циклогексанона и высококипящих продуктов окисления, имеющий сокращенное название ВНПП. Введение этого компонента дополнительно стабилизирует и упрочняет пленку ПАВ на поверхности капель эмульсии связующего и предотвращает их коалесценцию. С целью увеличения дисперсности и снижения седиментации в состав эмульсии дополнительно вводится сульфаминовая кислота, а для регулировки рН водной фазы, обеспечивающей ионное равновесие в системе, - гидроксид натрия или соляная кислота.

Характеристики используемых веществ:

- Асфальт, гудрон - побочные или промежуточные продукты переработки нефти (фракции 580°С - к.к., 500°С - к.к. (конец кипения) соответственно). Они представляют собой твердые (при 20°С) вещества черного цвета с компактной, поликонденсированной надмолекулярной структурой углеводородов нефти, плавящихся при нагревании;

- Неонол (ТУ 2489-077-05766801-98) представляет собой бесцветную маслянистую жидкость и является водорастворимым неионогенным поверхностно-активным веществом (ПАВ) с алкильной цепью из 9-12 углеродных атомов;

- ВНПП (ТУ 2499-002-24211256-94) - продукт поликонденсации остатков кубовых при производстве аминов С₁₇-С₂₀ и остатков кубовых при производстве капролактама, являющийся 20-30% раствором в керосине аминосодержащих продуктов (аминов, иминов и аминоспиртов) с аминным числом не менее 100 мг КОН/г, циклогексанона и высококипящих продуктов окисления, представляет собой жидкость темно-коричневого цвета и является аммонизированным отходом производства капролактама с добавлением растительных масел и модифицирующих ПАВ;

- Вода техническая, пресная, с жесткостью не более 5 мг-экв/л.

Указанный выше результат достигается за счет применения неокисленных тяжелых вязких углеводородов - асфальта или смеси его с гудроном, имеющих в своем составе значительно меньшее количество гидрофильных центров, чем окисленный гудрон - битум. В связи с этим взаимодействие с водой для асфальта менее характерно, чем для битума, поэтому длительное воздействие воды на это вещество практически не изменяет его свойства, так же как и механические характеристики минеральных композитов (асфальтобетонов), полученных на его основе. Асфальт также более устойчив по сравнению с битумом к воздействию кислорода воздуха и низких температур. В то же время существенным недостатком асфальта является меньшая энергия взаимодействия его в чистом виде с минеральными наполнителями. Последнее корректируется введением в состав эмульсии (при необходимости) полярной сульфаминовой кислоты, а также гидроокиси натрия, обеспечивающих ионное равновесие на поверхности капель асфальта в эмульсии.

Амины, содержащиеся в ВНПП, упрочняют адсорбционный слой на поверхности частиц эмульсии и также определяют строение внешней оболочки коллоидных частиц, что позволяет регулировать как скорость распада эмульсии, так и энергию взаимодействия связующего с минеральным наполнителем.

Существенные признаки

Эмульсионный состав для дорожного строительства, содержащий высоковязкий нефтепродукт, эмульгатор и воду.

Отличительные признаки

В качестве высоковязкого нефтепродукта используют асфальт после установок деасфальтизации гудронов или смесь асфальтов с гудроном, а в качестве эмульгатора используют неонол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- Асфальт или смесь асфальта с гудроном 10-65%,- Неонол (оксиэтилированный алкилфенол Аф_9-12) 0,4-3%,- Вода Остальное,

кроме того, состав дополнительно может содержать следующие компоненты: ВНПП в количестве 0,5-2%, сульфаминовую кислоту в количестве 0,1-1%, соляную кислоту или гидроксид натрия в количестве до 0,3% мас.

Соотношение компонентов в заявляемом продукте, мас.%:

Асфальт или смесь асфальта с гудроном10-65%Неонол0,4-3%ВНПП0,5-2%Сульфаминовая кислота0,1-1%Гидроокись натриядо 0,3%Соляная кислотадо 0,3%Пресная водаОстальное

Предлагаемый состав был испытан в лабораторных условиях. Для проведения лабораторных испытаний эмульсию готовили следующим образом.

Растворяли в воде в соответствии с желаемой рецептурой неонол, ВНПП, сульфаминовую кислоту, соляную кислоту или (для составов, не содержащих кислоты) гидрооксид натрия при интенсивном перемешивании. Далее, в расплавленные нефтяные остатки (асфальт или его смесь с гудроном) вводили (также при интенсивном перемешивании) ранее приготовленный раствор компонентов. После введения всего количества раствора поддерживали режим интенсивного перемешивания еще 20 минут.

Пример 1. Брали 490 г пресной воды, в которую вводили при перемешивании 20 г неонола, после чего перемешивали еще в течение 30 минут. Полученную смесь осторожно вводили при интенсивном перемешивании в 490 г расплавленного асфальта, после чего перемешивали еще 20 минут. Получена эмульсия со следующим содержанием ингредиентов: асфальт - 49% мас.; неонол - 2%; вода - 49%.

В таблице 1 представлены составы эмульсии, полученной вышеуказанным способом.

В ходе лабораторных испытаний определяли модуль упругости слоя пропитанного щебня до выдержки в воде и после выдержки в воде в течение 720 часов (1 месяц). При этом все испытываемые образцы находились в общем потоке проточной пресной воды. Для испытаний использовали щебень карьера «Асбест», фракция 5-10 мм. Во всех случаях использовали эмульсии с содержанием вяжущего в пределах 55-60% мас. Модуль упругости определяли для всех образцов при одинаковой температуре в сравнении с прототипом (табл.2).

Предлагаемый состав имеет значительное преимущество перед известным составом в то время как асфальтобетон, приготовленный на основе последнего, за месяц нахождения в проточной воде теряет в прочности почти 20%, все асфальтобетоны, приготовленные на эмульсиях с асфальтом, в соответствии с предлагаемым составом теряют прочность не более чем на 3-5%.

Также в ходе лабораторных испытаний определяли характеристики пропитывающей способности асфальтовой эмульсии различного состава. Определение пропитывающей способности проводили в строго одинаковых условиях при использовании в качестве минерального материала керамических шариков диаметром 3,2-4 мм. Слой шариков находился на плоском поддоне со стенками. Предварительное уплотнение слоя шариков проводили за счет кратковременной вибрации поддона. Розлив эмульсии проводили за один раз устройством, имитирующим распределитель гудронатора. Во всех случаях использовали эмульсии с содержанием вяжущего 55-60% мас. (табл.3). Составы 1, 3, 4, 7, 8 имеют достаточно высокую текучесть, что позволяет рекомендовать их для пропитки дорожных оснований методом пролива.

С целью обоснования возможности использования эмульсий для предотвращения пылеобразования пылящих материалов при перевозках, при хранении в штабелях, а также придорожных полос, песков в пустынных районах сконструировано и изготовлено устройство, позволяющее производить обдув площадки (0,25-0,5 м), заполненной мелким сухим песком или иным пылящим материалом. Параметры потока воздуха и результаты проведенных испытаний приведены в табл.4. Скорость ветра замеряли чашечным анемометром с диапазоном измерения 1-20 м/с по ГОСТ 6376-74. Испытания проводили через сутки после пропитки песка эмульсией.

Как показал эксперимент, нанесение поверхностной пленки эмульгированного связующего позволяет значительно уменьшить ветровую эрозию образцов.

Табл.1
Составы полученных эмульсий№ составаСодержание компонентов состава, мас.%АсфальтГудронПресная водаНеонолВНППСульфаминовая кислотаNaOHHClХарактеристика полученной эмульсии16503410000Однородная, подвижная, незначительная седиментация. Устойчива более 1 месяца.250542,4200,500,1Однородная, средневязкая, подвижная. Устойчива более 1 мес.3600390,500,500Легкая, прямая. Устойчива более 1 мес.410188,480,400,100,02Получена разбавлением водой состава №2. Устойчива более 1 мес.56003730000Однородная, вязкая, подвижная. Устойчива более 10 суток.6402037,20,5200,30Вязкая, однородная, малотекучая. Устойчива более 10 суток.749,5048,31100,20Легкая, подвижная, устойчива более 1 месяца.825073,90,50,500,10Получена разбавлением состава №7. Устойчива более 1 мес.958038,7201,000,3Однородная, вязкая, текучая, со временем постепенно загущается. Устойчива более 1 месяца

Табл.2
Прочностные характеристики слоя пропитанного щебняМатериал пропитки щебеночного слояСреднее значение модуля упругости слоя пропитанного щебня из трех испытаний, МПаСреднее значение модуля упругости слоя пропитанного щебня после выдержки в проточной воде, МПаОтклонение, %1583553-5,13620601-3,15490481-1,87542522-3,78515498-3,39641623-2,8Битумная эмульсия по прототипу, из битума БН70/3063851119,9Табл.3
Глубина пропитки модельного грунта, ммПараметры пропиткиГлубина пропитки (мм) для эмульсии № (по табл.1)1234678Температура пропитываемого материала при начальной температуре эмульсии 50°С +20°С6-73-44-510-122-35-68-90°С533-46-813-45-6-5°С3-41-224-502-33-4Средняя норма розлива, л/м²3,2-3,52,8-3,02,8-3,14,6-5,22,8-3,02,5-2,93,6-4,0

Табл.4
Эффективность применения эмульсии для снижения пылеуноса (эмульсия №1 по табл.1)Скорость потока воздуха, м/сСпособ закрепления пылящего материалаДлительность Обдувки, минПотеря массы материала при обдувке, г5,5Без пролива эмульсией3024011,0Без пролива эмульсией165011,0Полив эмульсией с расходом 1,2 л/м²30011,0Полив разбавленной в два раза эмульсией с расходом 2,4 л/м²30менее 10

Использование: дорожное строительство и ремонт, предотвращение примерзания к внутренним поверхностям емкостей дисперсного материала при хранении и перевозках при отрицательных температурах, предотвращение или снижение ветровой эрозии и пылеуноса песчаных грунтов, поверхностной обработки пылящих материалов и гидроизоляции строительных конструкций. Сущность: эмульсионный состав содержит, мас.%: асфальт или смесь асфальта с гудроном - 10-65; неонол (оксиэтилированный алкилфенол Аф_9-12) - 0,4-3; вода - остальное. Состав дополнительно может содержать следующие компоненты: ВНПП в количестве 0,5-2%, сульфаминовую кислоту в количестве 0,1-1%, соляную кислоту или гидроксид натрия в количестве до 0,3% мас. Технический результат: состав повышает на 15% стабильность адгезионных свойств асфальтобетонов, полученных на его основе, при длительном контакте с водой. 4 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Эмульсионный состав для дорожного строительства, содержащий высоковязкий нефтепродукт, эмульгатор и воду, отличающийся тем, что в качестве высоковязкого нефтепродукта используют асфальт после установок деасфальтизации гудронов или смесь асфальтов с гудроном, а в качестве эмульгатора используют Неонол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Асфальт или смесь асфальта с гудроном10-65Неонол (оксиэтилированный алкилфенол Аф_9-12)0,4-3ВодаОстальное