ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ И АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2007 года по МПК C04B26/26 C08L95/00 

Группа изобретений относится к дорожно-строительным материалам и может быть использована для устройства дорожных, мостовых и аэродромных покрытий с использованием полимерно-битумного вяжущего.

Известна битумная композиция, содержащая битум, бутадиен-стирольный термоэластопласт и поверхностно-активное вещество (адгезионная добавка), в качестве которого используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина, при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

Битум97,3-77,0Бутадиен-стирольный термоэластопласт2-6Указанное поверхностно-активное вещество0,7-7,0

(см. патент РФ на изобретение №2119513, МПК 6 C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 93/00, приоритет от 31.07.1997, опубл. 27.09.1998 г. "Битумная композиция и способ ее получения").

Недостатком известной битумной композиции является неудовлетворительное сцепление с гранитным каменным материалом при использовании указанных адгезионных добавок. Кроме того, битумная композиция обладает неприятным запахом при использовании в качестве адгезионной добавки продукта взаимодействия таллового масла и триэтаноламина.

Наиболее близким к полимерно-битумному вяжущему (первое заявляемое изобретение группы) по совокупности существенных признаков является полимерно-битумное вяжущее, включающее битум, бутадиен-стирольный термоэластопласт, стабилизатор термоэластопласта, являющийся смесью ионола фосфита НФ в отношении 1:1, пластификатор (мягчитель) - индустриальное масло, высокомолекулярные поверхностно-активные вещества (адгезионные добавки), представляющие собой ортофосфорную кислоту, технический углерод и полимер с молекулярной массой 2000-60000, имеющий концевые функциональные группы, содержащие атомы азота, кислорода, кремния, и выбранный из перечня

Полимер - Si(ОС₂Н₅)₃,

где полимер является полистиролом, полиизопреном, полибутадиеном, полистирол-полиизопреном, полистирол-полибутадиеном при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пластификатор (Мягчитель)14-26Вышеуказанный термоэластопласт2,5-4,5Вышеуказанный полимер, выбранный из перечня1,0-1,5Вышеуказанный стабилизатор0,025-0,045Ортофосфорная кислота0,01-0,2Технический углерод0,1-3Битумостальное

(см. патент РФ на изобретение №2211846, МПК 7 C08L 95/00, C08L 53/02, С04В 26/26, приоритет от 02.08.2002, опубл. 10.09.2003 г. "Способ получения полимерно-битумного вяжущего (ПБВ)").

Недостатком известного способа является неудовлетворительное смешивание (распределение) полимера в композиции полимерно-битумного вяжущего (ПБВ).

Наличие в ПБВ технического углерода (0,1-3%) снижает устойчивость композиции к расслоению, вызывает технологические трудности (осаждение твердой фазы углерода на стенках и днищах емкостей хранения и подготовки вяжущего, ухудшает прокачиваемость по трубопроводам, насосам и через запорную арматуру, способствует ускоренной коксуемости трубопроводов разогрева вяжущего).

Ортофосфорная кислота, присутствующая в композиции (0,01-0,2%), вызывает ускоренную коррозию стальных емкостей и трубопроводов, ухудшает экологию, так как при хранении, переработке ПБВ и приготовлении асфальтобетонных смесей на асфальтобетонных заводах (АБЗ) появляются пары кислых выбросов, причем подвергается коррозии не только оборудование битумных баз, но и дорогостоящее оборудование АБЗ и дорожная техника - асфальтосмесительные установки, кузова транспортных средств для перевозки асфальта, асфальтоукладчики и перегружатели асфальтовой смеси.

Кроме того, высокомолекулярные поверхностно-активные вещества (адгезионные добавки) усложняют приготовление ПБВ, так как требуют его специальной подготовки (синтеза) из химических ингредиентов.

Известна асфальтобетонная смесь, включающая наполнитель, состоящий из щебня и песка из отсевов дробления, битум и стабилизирующую добавку, представляющую собой хризотил-асбест фракции 2,8-5,0 четвертой группы марки А-4-30, причем битум и хризотил-асбест взяты в соотношении (7-13):1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Песок из отсевов дробления27-38Битум5,2-7,0Хризотил-асбест фракции 2,8-5,0 ммчетвертой группы марки А-4-300,4-1,0Щебеньостальное

(см. патент РФ на изобретение №2229451, приоритет от 28.07.2003, МПК 7 С04В 26/26, опубл. 27.05.2004 г. "Асфальтобетонная смесь").

Недостатком известной смеси является неудовлетворительная долговечность покрытия из-за недостаточно высокой адгезии битума с поверхностью применяемого щебня, в результате чего происходят сдвиговые деформации дорожных покрытий, так как происходит отслаивание ПБВ от щебня. Преждевременное разрушение асфальтобетонных дорожных покрытий значительно снижает их долговечность (резко снижается межремонтный срок эксплуатации покрытий, в 1,5-2,5 раза).

Наиболее близкой к заявляемой асфальтобетонной смеси (второе заявляемое изобретение группы) по совокупности существенных признаков является асфальтобетонная смесь, включающая наполнитель, состоящий из щебня, песка из отсевов дробления и активированного минерального порошка, полимерно-битумное вяжущее и стабилизирующую добавку - минеральные волокна асбеста (см. Обзорную информацию "Строительство дорожных и аэродромных покрытий из щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей". - М.: Издательство "Информавтодор", 2003. - с.2, 31-33, 39).

Недостатком известной асфальтобетонной смеси является неудовлетворительная долговечность покрытия ввиду того, что ПБВ, входящее в состав асфальтобетонной смеси, имеет невысокую устойчивость к расслоению, вследствие этого неудовлетворительную адгезию ПБВ с поверхностью наполнителя.

В результате эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий на основе известной асфальтобетонной смеси происходит отслаивание ПБВ от щебня в результате динамических нагрузок, вызванных большегрузностью транспортных средств и высокой интенсивностью движения, а также в результате температурных нагрузок, вызванных высокими температурными перепадами, снижающими влагоустойчивость покрытия, что ведет к разрушению целостности покрытия и, как следствие, к необходимости проведения ремонтных работ.

Заявляемая группа изобретений - полимерно-битумное вяжущее и асфальтобетонная смесь на его основе - предусматривает расширение арсенала технических средств для получения долговечных дорожных, мостовых и аэродромных покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, в частности такими, как сопротивляемость слоя пластическим сдвиговым деформациям, устойчивость к температурным и динамическим нагрузкам.

Указанный технический результат достигается тем, что известное полимерно-битумное вяжущее, содержащее битум, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, согласно первому изобретению в группе в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества содержит тяжелые жирные кислоты (ТЖК), представляющие собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти общей формулы:

,

где R - углеводородный радикал с содержанием атомов углерода от 12 до 22 (С₁₂-C₂₂), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум86-89Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт2,5-5Индустриальное масло5,5-7,5Вышеуказанное ТЖК1-3

Согласно второму изобретению в группе в известной асфальтобетонной смеси, включающей наполнитель, состоящий из щебня, песка из отсевов дробления и минерального порошка, полимерно-битумное вяжущее и стабилизирующую добавку - минеральные волокна асбеста, в качестве полимерно-битумного вяжущего используют полимерно-битумное вяжущее по первому изобретению, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Щебень64-68Песок из отсевов дробления16,5-18Минеральный порошок9,5-11Минеральные волокна асбеста0,35-0,45Вышеуказанное полимерно-битумное вяжущее6-6,5

Асфальтобетонная смесь в качестве минеральных волокон асбеста содержит хризотил-асбест.

Согласно первому изобретению в группе заявляемый состав полимерно-битумного вяжущего при указанном соотношении компонентов обеспечивает получение битумного вяжущего со свойствами, присущими эластомерам, что приводит к большей упругой деформативности, снижению хрупкости при низких температурах и одновременно к повышению сдвигоустойчивости дорожного покрытия, полученного с использованием заявляемого полимерно-битумного при высоких температурах эксплуатации, устойчивости к температурным и динамическим нагрузкам.

Введение тяжелых жирных кислот (ТЖК) в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества в состав полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) в заявляемых пределах благодаря углеводородной составляющей и адгезионно-пластифицирующим свойствам молекул ТЖК способствует улучшению распределения компонентов в ПБВ и ПБВ в асфальтобетонной смеси, что обеспечивает высокое сцепление полимерно-битумного вяжущего с наполнителем (минеральной частью) асфальтобетонной смеси.

Согласно второму изобретению использование в заявляемой асфальтобетонной смеси заявляемого полимерно-битумного вяжущего позволяет достичь большей упругой деформативности, снижения хрупкости при низких температурах и одновременно добиться повышения сдвигоустойчивости покрытия при высоких температурах эксплуатации за счет того, что ПБВ равномерно распределено во всем объеме асфальтобетонной смеси, при сохранении свойств, присущих эластомерам.

Асфальтобетонная смесь в качестве минеральных волокон асбеста (стабилизирующая добавка) содержит хризотил-асбест, который представляет собой неметаллическое минеральное сырье, относящееся к группе магнезиальных гидросиликатов (3MgO·2SiO₂·2H₂O) с волокнисто-трубчатой структурой. Хризотил-асбест обладает высокой термостойкостью до 700-800°С и электро-, тепло-, звукоизоляционными свойствами, химически инертен, стоек к щелочам. При взаимодействии с водой в условиях атмосферных температур - гидрофилен, гигроскопичность слабая. Обладая развитым тонковолокнистым строением, хризотил-асбест при нагревании до 70°С резко уменьшает водоудерживающую способность и теряет гигроскопическую воду. Хризотил-асбест относится к экологически чистым материалам, так как обладает низкой биологической агрессивностью воздействия на живые организмы и способен растворяться в кислой среде. Лучшими свойствами асфальтобетонная смесь обладает при использовании в ее составе хризотил-асбеста фракции 2,8-5,0 мм четвертой группы марки А-4-30.

Оба технические решения находятся во взаимосвязи и образуют единый изобретательский замысел.

Для получения асфальтобетонной смеси, которая применяется для устройства дорожных, мостовых и аэродромных покрытий с требуемыми свойствами, было разработано новое полимерно-битумное вяжущее.

Использование заявляемого полимерно-битумного вяжущего в заявляемой асфальтобетонной смеси позволяет обеспечить технический результат - расширение арсенала технических средств для получения долговечных дорожных, мостовых и аэродромных покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, в частности такими, как сопротивляемость слоя пластическим сдвиговым деформациям, устойчивость к температурным и динамическим нагрузкам.

Следовательно, заявляемая группа изобретений, представляющая собой часть и целое, удовлетворяет требованию единства изобретения.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой группы изобретений, не выявлено, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности как "новизна".

Заявляемые существенные признаки изобретений, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых изобретений, входящих в группу, такому условию патентоспособности как "изобретательский уровень".

Условие патентоспособности "промышленная применимость" подтверждают конкретные примеры получения полимерно-битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси с использованием этого полимерно-битумного вяжущего, изложенные в разделе "Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения".

Для приготовления полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) использовались следующие исходные компоненты.

1. Битум

ПБВ готовят на основе битумов марок БНД согласно ГОСТ 22245-90 "Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия".

2. Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт

Бутадиен-стирольный термоэластопласт марки ДСТ-30-01 выпускается в соответствии с ТУ 38.103267-99 "Термоэластопласты бутадиен-стирольные".

3. Пластификатор - индустриальное масло

Для приготовления ПБВ используют индустриальные масла по ГОСТ 20788 марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А.

4. Высокомолекулярное поверхностно-активное вещество - ТЖК

Для приготовления ПБВ используется ТЖК местного производства (производитель находится в Уральском регионе), которые поставляются по ТУ 2453-001-38576343-2002 "Присадка поверхностно-активная ТЖК".

Производство полимерно-битумного вяжущего осуществляется перемешиванием в мешалке всех компонентов композиции, поданных в расчетном количестве, с последующим пропуском композиции через коллоидную мельницу во вторую мешалку. Затем этот процесс повторяется. Температура приготовления ПБВ не должна превышать 160°С, а продолжительность процесса производства ПБВ не должна превышать 60 мин.

Приготовленное полимерно-битумное вяжущее имело следующий состав, представленный в примерах 1-3.

Пример 1

Битум89%Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт3,5%Индустриальное масло6,5%ПАВ - ТЖК1%

Пример 2

Битум88,5%Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт3,5%Индустриальное масло6,5%ПАВ - ТЖК1,5%

Пример 3

Битум88,0%Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт3,5%Индустриальное масло6,5%ПАВ - ТЖК2%

В Таблице 1 приведены физико-механические свойства полимерно-битумного вяжущего с использованием в качестве ПАВ ТЖК:

Таблица 1Наименование показателей полимерно-битумного вяжущего и единицы измеренияВеличина показателя1. Глубина проникновения иглы 0,1 мм при 25°С128при 0°С592. Растяжимость, см при 25°СБолее 70при 0°С543. Температура размягчения по кольцу и шару, °С53,04. Температура хрупкости, °С-28,05. Эластичность, % при 25°С91при 0°С786. Сцепление с гранитомотличное7. Интервал пластичности, °С818. Однородностьоднородно

Из данных Таблицы 1 видно, что заявляемое полимерно-битумное вяжущее с использованием в качестве ПАВ ТЖК обладает высокими физико-механическими показателями, в частности интервал пластичности составляет 81°С, а сцепление с гранитом оценивается как отличное, что предопределяет повышение его устойчивости к старению.

Для приготовления асфальтобетонной смеси использовались следующие исходные компоненты.

1. Наполнитель (Минеральный материал):

А) Щебень

Для приготовления асфальтобетонной смеси используется щебень с размером зерен 5-10, 10-15, 15-20 мм из плотных горных пород согласно ГОСТ 8267-93. Щебень должен удовлетворять требованиям ГОСТ 9128-97, предъявляемым к крупному наполнителю, применяемому в асфальтобетонных смесях типа А марки 1.

По форме зерен применяемый щебень должен быть кубовидным и относиться к 1-й группе. Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы не должно превышать 15%.

Б) Песок из отсевов дробления

Песок из отсевов дробления горных пород должен отвечать требованиям ГОСТ 8736-93. Прочность песка должна быть не ниже 1000, содержание глинистых частиц в песке, определяемое методом набухания, не должно превышать 0,5%, при этом содержание зерен мельче 0,16 мм в песке из отсевов дробления не нормируется.

В) Минеральный порошок

Для приготовления асфальтобетонной смеси используется минеральный порошок неактивированный магнезитовый Шабровского талькового комбината, отвечающий требованиям ГОСТ 16557-78.

Плотность, г/см³ - 2,06

Пористость, % - 33,3

Набухание образцов из смеси порошка с вяжущим, % - 1,5

Показатель битумоемкости, гр. - 62

Влажность, % по массе - 0,2

Истинная плотность, г/см³ - 3,1

2. Стабилизирующая добавка

Стабилизирующая волокнистая добавка - минеральные волокна асбеста - для дисперсного армирования вяжущего, в качестве которой используется хризотил-асбест, который наилучшим образом препятствует сегрегации и отслаиванию (отеканию) вяжущего с поверхности щебня при высоких технологических температурах. К стабилизирующим добавкам предъявляют технические требования по термостойкости, влажности и однородности.

Стабилизирующая добавка - хризотил-асбест фракции 2,8-5,0 мм марки А-4-30 Асбестовского месторождения имеет коммерческое название "Хризотоп" и производится по ТУ 5718-011-0281476-2004.

Технические характеристики хризотил-асбеста:

Влажность - 4,3%

Термостойкость при t 220°C по изменению массы при прогреве - 5%

3. Полимерно-битумное вяжущее (приготовление полимерно-битумного вяжущего описано выше).

Приготовление асфальтобетонной смеси осуществлялось следующим образом.

Горячие асфальтобетонные смеси приготавливают на асфальтосмесительных установках (АСУ) с принудительным перемешиванием компонентов, путем смешения в нагретом состоянии щебня, песка из отсевов дробления, минерального порошка, полимерно-битумного вяжущего, а также стабилизирующей добавки.

Дозирующие устройства АСУ должны обеспечивать точность дозирования компонентов: для щебня ±2%, для песка ±3%, для минерального порошка и вяжущего ±1,5%, для стабилизирующей добавки ±2%. АСУ должны иметь систему автоматического управления или систему контроля, позволяющую проводить мониторинг технологических параметров.

Стабилизирующую добавку вводят, как правило, в наполнитель смеси перед объединением ее с полимерно-битумным вяжущим (ПБВ).

Физико-механические свойства асфальтобетона, приготовленного с использованием заявляемого ПБВ, представлены в Таблице 2.

Таблица 2Наименование показателейЗначения показателей для автодорог II марки для II дорожно-климатической зоны, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 12801Фактические значения свойств асфальтобетона, приготовленного с использованием заявляемого ПБВ1. Предел прочности при сжатии при температуре, МПа  50°СНе менее 1,21,7520°СНе менее 2,53,550°СНе более 11,06,002. Водостойкость плотных асфальтобетоновНе менее 0,900,963. Водостойкость плотных асфальтобетонов при длительном водонасыщенииНе менее 0,850,944. Водонасыщение, %1,5-4,00,95. Пористость наполнителя (минеральной части),%Не более 19,018,56. Средняя плотность, г/см³-2,387, Набухание, %-0,028. Отношение R₀/R₅₀9,23,42

Из Таблицы 2 видно, что заявляемая асфальтобетонная смесь с использованием заявляемого полимерно-битумного вяжущего обладает высокими физико-механическими показателями, превышающими показатели, предусмотренные ГОСТ 12801.

Период между капитальными ремонтами покрытия из заявляемой асфальтобетонной смеси с использованием заявляемого полимерно-битумного вяжущего, рассчитанный по фактическим показателям физико-механических свойств, достигает 16 лет, что превышает фактические показатели в 2,5 раза.

Изобретение касается полимерно-битумного вяжущего, содержащего битум, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества содержит тяжелые жирные кислоты (ТЖК), представляющие собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти общей формулы:

,

где R - углеводородный радикал с содержанием атомов углерода от 12 до 22 (C₁₂-C₂₂), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум 86-89; полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт 2,5-5; индустриальное масло 5,5-7,5; вышеуказанное ТЖК 1-3. Кроме того, настоящее изобретение касается асфальтобетонной смеси, включающей наполнитель, состоящий из щебня, песка из отсевов дробления и минерального порошка, полимерно-битумное вяжущее и стабилизирующую добавку - минеральные волокна асбеста, в качестве полимерно-битумного вяжущего используют полимерно-битумное вяжущее по п.1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень 64-68; песок из отсевов дробления 16,5-18; минеральный порошок 9,5-11; минеральные волокна асбеста 0,35-0,45; вышеуказанное полимерно-битумное вяжущее 6-6,5. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Полимерно-битумное вяжущее, содержащее битум, полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество, отличающееся тем, что полимерно-битумное вяжущее в качестве высокомолекулярного поверхностно-активного вещества содержит тяжелые жирные кислоты (ТЖК), представляющие собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти общей формулы

где R - углеводородный радикал с содержанием атомов углерода от 12 до 22 (C₁₂-C₂₂), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум86-89Полимер - бутадиен-стирольный термоэластопласт2,5-5Индустриальное масло5,5-7,5Вышеуказанное ТЖК1-3

Щебень64-68Песок из отсевов дробления16,5-18Минеральный порошок9,5-11Минеральные волокна асбеста0,35-0,45Вышеуказанное полимерно-битумное вяжущее6-6,5