СТАБИЛЬНЫЕ БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ, СПОСОБЫ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ И КОМПОЗИТНЫЕ СТРУКТУРЫ, СФОРМИРОВАННЫЕ ИЗ ЭТИХ ЭМУЛЬСИЙ Российский патент 2021 года по МПК C04B26/26 C08L95/00 C04B111/20 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает преимущество по предварительной заявке на патент США № 62/558,191, поданной 13 сентября 2017 г.

Область техники

Область техники в целом относится к битумным эмульсиям, способам формирования битумных эмульсий и композитным структурам, сформированным из битумных эмульсий. Более конкретно, область техники относится к битумным эмульсиям, имеющим отличную стабильность.

Предпосылки создания изобретения

Асфальт, или битум, обычно собирают или синтезируют и очищают для использования в таких областях применения, как асфальтирование, покрытие крыш, герметизация и гидроизоляция. Асфальт, часто называемый «битумным вяжущим веществом» или «битумным цементом», часто смешивают с агрегатом для формирования материала, используемого при асфальтировании. Для эффективного смешивания асфальта с агрегатным материалом асфальт часто добавляют в битумную эмульсию, которая не содержит агрегатов. Битумные эмульсии также используют в областях применения, которые не предполагают смешивания с агрегатами, т. е. сами битумные эмульсии можно использовать для конечного применения, например для образования связующего слоя покрытия или других не содержащих агрегата слоев в композитной структуре дорожного покрытия, такой как поверхностная обработка битумной эмульсией, грунтовочные слои, щебеночное уплотнение, защитный слой из готовой битумно-эмульсионной смеси и т.п. В частности, композитные структуры дорожного покрытия по существу включают в себя множество агрегатсодержащих слоев асфальта, причем каждый последующий слой связан с нижележащим слоем при помощи связующего слоя покрытия. Связующий слой покрытия эффективно способствует адгезии и/или слиянию между агрегатсодержащими слоями асфальта. Связующий слой покрытия также может способствовать повышению износостойкости и/или стойкости против атмосферных явлений композитных структур дорожного покрытия.

Недостаточная адгезия между новым агрегатсодержащим слоем асфальта и существующим агрегатсодержащим слоем асфальта, т. е. ранее наложенным слоем дорожной одежды или подготовленной поверхностью дорожного покрытия, может привести к разделению и растрескиванию покрытия во время создания композитной структуры дорожного покрытия, а также последующим повреждениям и преждевременному ухудшению состояния композитной структуры дорожного покрытия и/или поверхности. Такие условия часто требуют дорогостоящих ремонтных работ, могут причинить ущерб транспортным средствам, перемещающимся по поверхности, и могут привести к опасным ситуациям на дороге, угрожающим повреждениями имущества и травмами пассажиров транспортных средств. Таким образом, связующий слой покрытия оптимальным образом способствует максимальной адгезии между смежными агрегатсодержащими слоями асфальта. Свойства связующего слоя покрытия, такие как прочность на отрыв и точка размягчения, обеспечивают объективную меру того, насколько хорошо связующий слой покрытия может схватываться со смежными агрегатсодержащими слоями асфальта.

Поскольку связующий слой покрытия сформирован на существующем агрегатсодержащем слое асфальта, инженерно-строительные или другие транспортные средства могут перемещаться поверх связующего слоя покрытия перед последующим формированием нового агрегатсодержащего слоя асфальта на связующем слое покрытия. Нередко связующий слой покрытия оказывается поврежденным в результате такого воздействия из-за захватывания шинами или гусеницами транспортных средств, проезжающих по связующему слою покрытия. Когда происходит подобное повреждение, захваченный материал из связующего слоя покрытия может быть перенесен на другие поверхности композита дорожного покрытия, что создает сопутствующие проблемы в других зонах. Кроме того, поврежденные области связующего слоя покрытия демонстрируют сниженную эффективность в отношении содействия адгезии между агрегатсодержащими слоями асфальта, что приводит к вышеупомянутым характерным проблемам. Таким образом, желательно, чтобы связующие слои покрытия, а также другие слои, образованные в композитных структурах дорожного покрытия, которые находятся в непосредственном контакте с автомобильными шинами или гусеницами во время создания композитных структур дорожного покрытия, обладали превосходными адгезионными свойствами, не оставляя следов.

Для улучшения различных физических свойств связующих слоев покрытия с точки зрения адгезии, не оставляющей следов, точки размягчения и прочности на отрыв, применяются различные полимерные добавки. Например, известно, что такие сополимеры, как бутадиен-стирольный каучук (SBR) и бутадиен-стирольный стирол (SBS), улучшают такие свойства. Дополнительно в битумные композиции были включены другие полимерные добавки, такие как полиэтилен, для улучшения не оставляющей следов адгезии и свойств композитных структур дорожного покрытия, препятствующих образованию колеи.

Битумные эмульсии, которые используют для формирования связующих слоев покрытия, а также других указанных выше слоев, могут быть получены с помощью различных технологий для обеспечения жидкой, текучей среды. Например, битумные эмульсии могут быть получены нагреванием композиций, которые преимущественно включают в себя асфальт, до температуры выше температуры плавления асфальта. Такие технологии по существу избегают использования значительных количеств растворителя, которые потребовались бы для поддержания эмульсий в жидкой форме при температурах ниже температуры плавления асфальта. Кроме того, такие технологии сводят к минимуму проблемы нестабильности, широко распространенные при включении в битумные эмульсии полимерных добавок. В альтернативном варианте осуществления асфальт можно растворять в растворителях или эмульгировать в воде с образованием битумных эмульсий, которые находятся в жидкой форме при температурах ниже температуры плавления асфальта. Однако битумные эмульсии в воде заведомо нестабильны, особенно когда в них включены полимерные добавки, и демонстрируют значительное различие количества асфальта в содержании твердых веществ между верхней частью битумной эмульсии и нижней частью битумной эмульсии в течение относительно коротких периодов времени, например, через 1 сутки или 5 суток после эмульгирования.

Были приложены значительные усилия для повышения стабильности при хранении битумных эмульсий, в которых в качестве растворителя используют воду и которые включают в себя полимерные добавки, такие как полиэтилен. Однако часто такие усилия не обеспечивают достаточной стабильности при хранении, требуют дополнительных компонентов для достижения приемлемой стабильности, требуют специальных смесительных устройств или могут приводить к нарушению других физических свойств получаемого слоя асфальта.

Соответственно, желательно обеспечить битумные эмульсии, которые включают в себя значительное количество воды и которые обладают отличной стабильностью, а также способы формирования таких стабильных битумных эмульсий и композитных структур дорожного покрытия, сформированных из стабильных битумных эмульсий. Кроме того, желательно обеспечить битумные эмульсии, которые, демонстрируя превосходную стабильность, дополнительно обеспечивают слои в композитных структурах дорожного покрытия, обладающие превосходными физическими свойствами, такими как не оставляющая следов адгезия, адгезия на отрыв и высокая точка размягчения. Кроме того, другие желательные признаки и характеристики станут понятны из приведенного ниже подробного описания и прилагаемой формулы изобретения, рассматриваемых совместно с сопровождающими графическими материалами и настоящим описанием предпосылок создания изобретения.

Краткое описание изобретения

В настоящем документе предложены битумные эмульсии, способы формирования битумных эмульсий и композитные структуры дорожного покрытия, сформированные из битумных эмульсий. В одном варианте осуществления битумная эмульсия включает в себя базовый битумный компонент, воду и окисленный полиэтилен высокой плотности. Базовый битумный компонент присутствует в количестве от около 15 масс.% до около 70 масс.%, вода присутствует в количестве по меньшей мере около 25 масс.%, а окисленный полиэтилен высокой плотности присутствует в количестве от около 1 до около 20 масс.%, причем все количества приведены в расчете на общую массу битумной эмульсии. Окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г. Битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов.

В другом варианте осуществления способ формирования битумной эмульсии включает формирование базовой битумной эмульсии, включающей в себя базовый битумный компонент и воду. Эмульсию окисленного полиэтилена формируют отдельно от базовой битумной эмульсии. Эмульсия окисленного полиэтилена включает в себя окисленный полиэтилен высокой плотности и воду. Окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г. Базовую битумную эмульсию и эмульсию окисленного полиэтилена объединяют с образованием битумной эмульсии. Битумная эмульсия включает в себя базовый битумный компонент, присутствующий в количестве от около 15 масс.% до около 70 масс.%, воду, присутствующую в количестве по меньшей мере около 25 масс.%, и окисленный полиэтилен высокой плотности, присутствующий в количестве от около 1 до около 20 масс.%, причем все количества приведены в расчете на общую массу битумной эмульсии. Битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов.

В другом варианте осуществления композитная структура дорожного покрытия включает в себя нижележащий агрегатсодержащий слой асфальта и слой асфальта на основе эмульсии, расположенный непосредственно на и поверх нижележащего агрегатсодержащего слоя асфальта. Слой асфальта на основе эмульсии сформирован из битумной эмульсии, включающей в себя базовый битумный компонент, воду и окисленный полиэтилен высокой плотности. Базовая битумная эмульсия присутствует в количестве от около 15 масс.% до около 70 масс.%, вода присутствует в количестве по меньшей мере около 25 масс.%, а окисленный полиэтилен высокой плотности присутствует в количестве от около 1 до около 20 масс.%, причем все количества приведены в расчете на общую массу битумной эмульсии. Окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г. Слой асфальта на основе эмульсии после осаждения не содержит агрегатных и других минеральных материалов.

Краткое описание графических материалов

Далее различные варианты осуществления будут описаны в сочетании со следующими чертежами, на которых аналогичные цифровые обозначения обозначают аналогичные элементы.

На фиг. 1 представлен вид сбоку в поперечном сечении композитной структуры дорожного покрытия в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание

Приведенное ниже подробное описание является по своей сути лишь иллюстративным и не предназначено для ограничения битумных эмульсий, способов формирования таких эмульсий или композитных структур дорожного покрытия, сформированных из таких эмульсий. Более того, авторы не имеют намерения ограничиваться какой-либо теорией, представленной выше в разделе о предпосылках создания изобретения или ниже в подробном описании изобретения.

Различные варианты осуществления, рассматриваемые в настоящем документе, в целом относятся к битумным эмульсиям, способам формирования битумных эмульсий и композитным структурам дорожного покрытия, сформированным из битумных эмульсий. Битумные эмульсии обладают отличной стабильностью, несмотря на наличие полимерных добавок и значительного количества воды в битумных эмульсиях. В частности, битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, включают в себя воду в количестве по меньшей мере около 25 масс.% и базовый битумный компонент, присутствующий в количестве до около 65 масс.%, причем оба количества приведены в расчете на общую массу битумной эмульсии. Битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, не содержат агрегатных или других минеральных материалов, т. е. агрегатные и другие минеральные материалы, такие как камень, песок, глина и т.п., не подмешивают намеренно в битумные эмульсии во время приготовления эмульсий или до осаждения битумных эмульсий на базовом подстилающем слое, и в той мере, в которой такие материалы могут быть включены в битумные эмульсии (например, из-за условий на местах), такие материалы присутствуют только в следовых количествах менее около 1 процента по массе в расчете на общую массу битумных эмульсий. Для обеспечения отличной стабильности битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, включают в себя окисленный полиэтилен высокой плотности (ОПВП), имеющий показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г, при этом показатель кислотности ОПВП оказывает непосредственное влияние на стабильность битумных эмульсий. При наличии ОПВП, имеющего указанный показатель кислотности, можно достичь превосходной стабильности битумной эмульсии, при этом также имея возможность формировать из нее различные структуры, обладающие отличными физическими свойствами, обусловленными присутствием окисленного полиэтилена, такими как не оставляющая следов адгезия, адгезия на отрыв и высокая точка размягчения. Например, битумные эмульсии можно использовать для формирования слоя, такого как связующий слой покрытия, поверхностная обработка битумной эмульсией, грунтовочный слой, щебеночное уплотнение, микроповерхностный слой, защитный слой из готовой битумно-эмульсионной смеси и т.п. Комбинация стабильности эмульсии и физических свойств полученного слоя, сформированного из эмульсий, может быть достигнута даже при наличии дополнительных полимерных компонентов, помимо ОПВП, присутствующего в битумных эмульсиях.

Как упомянуто выше, битумные эмульсии включают в себя базовый битумный компонент, воду и ОПВП. Как также упомянуто выше, битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов. Используемый в настоящем документе термин «агрегат» относится к коллективному термину для минеральных материалов, таких как, например, песок, гравий или дробленый камень. Кроме того, битумные эмульсии являются жидкими, т. е. текучими при температурах окружающей среды около 21°C. Таким образом, во многих вариантах осуществления, например для связующего слоя покрытия, поверхностной обработки битумной эмульсией, грунтовочного слоя, щебеночного уплотнения, защитного слоя из готовой битумно-эмульсионной смеси и т.п., битумные эмульсии, описанные в настоящем документе, не выступают в качестве связующего вещества для агрегатсодержащих битумных композиций. Однако следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления, например для микроповерхностного слоя, битумные эмульсии могут быть составлены таким образом, чтобы смешиваться с агрегатом, но все еще сохранять текучесть при температуре окружающей среды.

Базовый битумный компонент, как указано в настоящем документе, представляет собой беспримесный битум, не содержащий полимеров. Беспримесный битум часто является побочным продуктом операций нефтепереработки или последующей очистки и включает в себя продутый битум, асфальтовую смесь, крекинг-битум или гудрон, нефтяной битум, пропановый битум, остаточный битум, горячий асфальт и т.п. Примеры подходящих базовых битумных компонентов включают в себя такие компоненты, которые имеют значение проникновения, или PEN, от около 60 до около 100 дмм при измерении в соответствии с испытанием T0604-2011. В вариантах осуществления базовый битумный компонент присутствует в битумной эмульсии в количестве от около 15 до около 70 масс.%, например от около 45 до около 65 масс.%, в расчете на общую массу битумной эмульсии.

Вода присутствует в битумной эмульсии в количестве по меньшей мере около 25 масс.%, например от около 30 до около 65 масс.% или, например, от около 40 до около 65 масс.%, в расчете на общую массу битумной эмульсии. Такие количества воды достаточно велики, чтобы сделать битумную эмульсию жидкой или текучей при температурах окружающей среды около 21 °C. Такие количества воды также представляют проблемы для стабильности, которые традиционно нелегко решать применительно к битумным эмульсиям, включающим в себя полиэтилен, причем такие проблемы документально подтверждены в литературе.

ОПВП, включенный в состав битумной эмульсии, может включать в себя один или более различных типов окисленного полиэтилена высокой плотности. Используемый в настоящем документе термин «полиэтилен высокой плотности» включает полиэтилен, плотность которого составляет более 0,95 г/см³, например полиэтилены с плотностью от около 0,97 до около 1,01 г/см³. ОПВП, как известно, обеспечивает полезные свойства битумных композиций при применении в различных слоях композитной структуры дорожного покрытия. Например, было высказано предположение о том, что ОПВП может способствовать эффективности предотвращения образования колеи. Как более подробно описано ниже, слои, сформированные из битумных эмульсий, рассматриваемых в настоящем документе, которые включают в себя ОПВП, демонстрируют превосходную прочность на отрыв благодаря наличию ОПВП.

Как рассмотрено в настоящем документе, подходящий ОПВП имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г, например от около 15 до около 40 мг KOH/г или, например, от около 26 до около 35 мг KOH/г. Показатель кислотности указывает на степень окисления ОПВП, например содержание карбоксильной группы. Показатель кислотности можно определить путем титрования раствора ОПВП с 0,1 N спиртовым раствором гидроксида калия (KOH) до визуально «розовой» конечной точки с использованием фенолфталеина в качестве индикатора в соответствии с традиционными методиками. Было обнаружено, как показано в примерах ниже, что показатель кислотности ОПВП оказывает непосредственное влияние на стабильность при хранении битумных эмульсий, причем ОПВП, имеющий показатель кислотности в вышеуказанных диапазонах, обеспечивает желательные физические свойства битумных эмульсий, которые включают в себя ОПВП, при этом устраняя проблемы стабильности при хранении, которые ранее наблюдались у битумных эмульсий, включающих в себя большие количества воды и полиэтилена.

В вариантах осуществления ОПВП имеет среднечисленную молекулярную массу (M_n) от около 1000 до около 30 000 дальтон, например от около 1000 до около 10 000 дальтон. В вариантах осуществления ОПВП имеет вязкость от около 100 до около 20 000 сП при 150°C при измерении в соответствии со стандартом ASTM D4402. Примеры подходящих ОПВП включают в себя, без ограничений, гомополимеры окисленного полиэтилена высокой плотности Honeywell Titan^® 7686, Honeywell Titan^® 7608 и Honeywell Titan^® 7183 производства компании Honeywell International Inc., головной офис которой находится в г. Морристаун, штат Нью-Джерси.

В вариантах осуществления ОПВП присутствует в количестве от около 1 до около 20 масс.%, например от около 1 до около 5 масс.%, например от около 1 до около 3 масс.% или, например, от около 1,5 до около 3 масс.%, в расчете на общую массу битумной эмульсии. В качестве альтернативной меры количества ОПВП в битумной эмульсии, ОПВП может присутствовать в количестве от около 0,5 до около 10 масс.%, например от около 0,5 до около 2,5 масс.% или, например, от около 0,5 до около 1,5 масс.% в расчете на общую массу окисленного полиэтилена высокой плотности и базового битумного компонента в битумной эмульсии.

Для достижения баланса битумная эмульсия может включать в себя традиционные добавки, которые включены для улучшения физических свойств слоев, сформированных из битумной эмульсии, или для улучшения физических свойств самой битумной эмульсии. Например, в одном варианте осуществления битумная эмульсия дополнительно включает в себя сополимер стирола с алкадиеном для модификации точки размягчения и/или адгезионных свойств слоев, сформированных из битумных эмульсий. Сополимер стирола с алкадиеном можно вводить в битумную эмульсию вместе с базовым битумным компонентом, например в битумный компонент, модифицированный полимером. В альтернативном варианте осуществления сополимер стирола с алкадиеном можно вводить в битумную эмульсию отдельно от базового битумного компонента. В одном примере осуществления сополимер стирола с алкадиеном выбран из бутадиен-стирольного стирола (SBS), бутадиен-стирольного каучука (SBR) или их комбинаций. В качестве альтернативы или в дополнение к сополимеру стирола с алкадиеном можно использовать стирол-этилен-бутилен-стирольный блоксополимер (СЭБС), стирол-изопрен-стирольный блоксополимер (СИС), полихлоропрен или их комбинации. В вариантах осуществления концентрация сополимера стирола с алкадиеном находится в диапазоне от около 0,5 масс.% до около 4,0 масс.% в расчете на общую массу базового битумного компонента. Дополнительные необязательные добавки, которые могут быть включены в битумные эмульсии, включают в себя, без ограничений, эмульгаторы, кислоты, стабилизаторы и т.п., при этом дополнительные необязательные добавки, как правило, присутствуют в количестве менее около 1 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии, если они присутствуют.

Как упомянуто выше, битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, демонстрируют превосходную стабильность при хранении. Например, в вариантах осуществления битумные эмульсии имеют стабильность при хранении в течение 24 часов при температуре около 21 °C менее около 1 масс.%, например от около 0,1 до около 1 масс.% или, например, от около 0,1 до около 0,8 масс.%, в расчете на общую массу битумной эмульсии, измеренную в соответствии с испытанием T0665-1993 согласно методике T0719 2011 в промышленном стандарте JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for High Engineering, Китай. Кроме того, в вариантах осуществления битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, имеют стабильность при хранении в течение пяти суток при температуре около 21 °C менее около 5,0 масс.%, например от около 0,1 до около 4,5 масс.% или, например, от около 0,1 до около 4,2 масс.%, в расчете на общую массу битумной эмульсии, измеренную в соответствии с испытанием T0665-1993 согласно методике T0719 2011 в промышленном стандарте JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for High Engineering, Китай.

Ниже будет описан пример способа формирования битумной эмульсии, как рассмотрено в настоящем документе. В соответствии с вариантами осуществления перед смешиванием соответствующих эмульсий с образованием битумной эмульсии по отдельности готовят базовую битумную эмульсию и эмульсию окисленного полиэтилена. В частности, формируют базовую битумную эмульсию, включающую в себя базовый битумный компонент и воду. В вариантах осуществления базовая битумная эмульсия включает в себя базовый битумный компонент в количестве от около 20 до около 70 масс.% и воду в количестве от около 29 до около 77 масс.%, причем количества приведены в расчете на общую массу базовой битумной эмульсии. Чтобы было понятнее, базовая битумная эмульсия не содержит окисленный полиэтилен высокой плотности. Базовая битумная эмульсия может быть сформирована при повышенных температурах для обеспечения надлежащей дисперсии и смешивания в ней компонентов. Например, в вариантах осуществления для формирования базовой битумной эмульсии базовый битумный компонент нагревают до повышенной температуры по меньшей мере 130 °C. После формирования базовой битумной эмульсии базовую битумную эмульсию охлаждают до температуры, меньшей или равной около 40 °C, например меньшей или равной около 30 °C, перед смешиванием с эмульсией окисленного полиэтилена.

Эмульсию окисленного полиэтилена формируют отдельно от базовой битумной эмульсии. Эмульсия окисленного полиэтилена включает в себя ОПВП и воду, при этом ОПВП присутствует в количестве от около 0,1 до около 40 масс.%, а вода присутствует в количестве от около 50 до около 90 масс.%, причем количества приведены в расчете на общую массу эмульсии окисленного полиэтилена. Чтобы было понятнее, эмульсия окисленного полиэтилена не содержит базовый битумный компонент. Эмульсию окисленного полиэтилена можно формировать при повышенных температурах, например, путем нагревания смеси воды и ОПВП до повышенной температуры по меньшей мере 100°C. После формирования эмульсии окисленного полиэтилена эмульсию окисленного полиэтилена охлаждают до температуры, меньшей или равной около 40°C, например меньшей или равной около 30°C, перед смешиванием базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена.

После охлаждения базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена, базовую битумную эмульсию и эмульсию окисленного полиэтилена объединяют с образованием битумной эмульсии. В вариантах осуществления базовую битумную эмульсию и эмульсию окисленного полиэтилена смешивают при относительно низких температурах, например при температуре композиции от около 15 до около 25°C. Битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов, и битумную эмульсию можно хранить или немедленно использовать для формирования соответствующего слоя в композитной структуре дорожного покрытия.

Как показано на фиг. 1, иллюстративная композитная структура дорожного покрытия представлена позицией 10, причем композитная структура 10 дорожного покрытия включает в себя слой 12 асфальта на основе эмульсии, сформированный из битумной эмульсии, как описано в настоящем документе. Композитная структура 10 дорожного покрытия включает в себя нижележащий агрегатсодержащий слой 14 асфальта, например традиционный подстилающий слой, включающий в себя агрегат и битум. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, слой 12 асфальта на основе эмульсии расположен между нижележащим агрегатсодержащим слоем 14 асфальта и вышележащим слоем 16, расположенным непосредственно на слое 12 асфальта на основе эмульсии. Слой 12 асфальта на основе эмульсии после осаждения не содержит агрегат. В показанном варианте осуществления вышележащий слой 16 представляет собой агрегатсодержащий слой асфальта и расположен на противоположной стороне слоя 12 асфальта на основе эмульсии по отношению к нижележащему агрегатсодержащему слою асфальта. Однако следует понимать, что вышележащий слой 16 может не содержать агрегат или может представлять собой ультратонкий слой в соответствии с традиционными композитными структурами дорожного покрытия. В этом варианте осуществления слой 12 асфальта на основе эмульсии может представлять собой связующий слой покрытия, который служит для связывания нижележащего слоя 14 и вышележащего слоя 16 друг с другом, или может представлять собой грунтовочный слой. В вариантах осуществления слой 12 асфальта на основе эмульсии имеет толщину после осаждения от около 1,0 до около 4,0 см. Однако следует понимать, что в других вариантах осуществления слой 12 асфальта на основе эмульсии может иметь открытую поверхность, которая предназначена для непосредственного контакта с транспортными средствами и/или пешеходами, перемещающимися по композитной структуре 10 дорожного покрытия.

Слой 12 асфальта на основе эмульсии демонстрирует отличные физические свойства, такие как высокая точка размягчения, прочность на отрыв и не оставляющая следов адгезия, и, таким образом, обеспечивает композитную структуру 10 дорожного покрытия с отличными физическими свойствами. Например, в вариантах осуществления, слой 12 асфальта на основе эмульсии характеризуется точкой размягчения по меньшей мере 60°C, например по меньшей мере 70°C, по результатам измерения в соответствии с испытанием T0606 согласно методике T0719 2011 в промышленном стандарте JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for High Engineering, Китай. Общепонятно, что более высокая точка размягчения коррелирует с повышенной прочностью на отрыв. Кроме того, слой 12 асфальта на основе эмульсии демонстрирует превосходную эффективность в предотвращении оставления следов, определенную посредством качественного испытания, при котором пропитанный битумом картон покрывают битумной эмульсией и нагревают в течение 30 минут при 60°C. Деэмульгированные битумные эмульсии, рассматриваемые в настоящем документе, по существу не остаются липкими при прикосновении рукой после периода нагревания при 60°C. Кроме того, слой 12 асфальта на основе эмульсии обладает превосходной прочностью на отрыв по сравнению с традиционными связывающими слоями покрытия, в то же время демонстрируя наивысшую точку размягчения, а битумные эмульсии также демонстрируют превосходную стабильность при хранении.

Следующие примеры не следует рассматривать как ограничивающие, так как из настоящего описания будут очевидны и другие эквивалентные варианты осуществления.

ПРИМЕРЫ

Получение базовой битумной эмульсии

Сначала получают базовые битумные эмульсии, которые включают в себя базовый битумный компонент, воду и другие компоненты, как показано ниже в таблице I, в которой все количества представлены в масс.% в расчете на общую массу базовой битумной эмульсии. Базовые битумные эмульсии готовят путем получения модифицированного полимером асфальта, включающего в себя базовый битумный компонент и полимерные компоненты, как указано в таблице I, нагревания полученной смеси до температуры 160°C, отдельного комбинирования и нагревания остальных компонентов до температуры 55°C, а затем объединения соответствующих смесей и смешивания композиции в коллоидной мельнице в течение периода времени от 1 до 2 минут. Затем эмульсию охлаждают до комнатной температуры около 21°C.

Таблица I

Базовая битумная эмульсия 1 Базовая битумная эмульсия 2 Базовая битумная эмульсия 3 Базовый битумный компонент 50,0 53,0 53,0 Эмульгатор 1 0,4 0,5 0,4 Полимер 8,0 – – Полимерный модификатор 1 4 1,59 – Полимерный модификатор 2 – – 1,85 Стабилизатор 1 0,8 0,3 0,3 Вода 36,6 44,31 44,15 Регулятор рН 0,2 0,3 0,3

Базовым битумным компонентом служит AH70#, местный китайский базовый битум с проникновением от 60 до 80 (0,1 мм) при 25°C.

Эмульгатор 1 представляет собой четвертичную аммониевую соль.

Полимером является твердый битум.

Полимерный модификатор 1 представляет собой бутадиен-стирольный каучук.

Полимерный модификатор 2 представляет собой стирол-бутадиен-стирол.

Стабилизатор 1 представляет собой раствор хлорида кальция и простого эфира карбоксиметилцеллюлозы в массовом соотношении 1 : 1.

Регулятор pH представляет собой соляную кислоту.

Получение эмульсии окисленного полиэтилена

Эмульсии окисленного полиэтилена получают по отдельности, при этом они включают в себя окисленный полиэтилен высокой плотности и другие компоненты, как показано ниже в таблице II, в которой все количества представлены в масс.% в расчете на общую массу эмульсии окисленного полиэтилена. Эмульсии окисленного полиэтилена получают путем последовательного объединения всех ингредиентов в аппарате высокого давления с последующим герметизированием аппарата высокого давления и нагревания до температуры 145°C в течение 20 минут при смешивании. Затем эмульсию охлаждают до комнатной температуры около 21°C при непрерывном перемешивании.

Таблица II

Эмульсия 1 ОПВП Эмульсия 2 ОПВП Эмульсия 3 ОПВП ОПВП 1 24,4 – – ОПВП 2 – 24,4 – ОПВП 3 – – 24,4 Эмульгатор 2 9,8 9,8 9,8 Кислота 2,4 2,4 2,4 Стабилизатор 2 0,3 0,3 0,3 Вода 63,1 63,1 63,1

ОПВП 1 представляет собой Honeywell Titan^® 7686, имеющий плотность 0,99 г/см³ и показатель кислотности 25 мг KOH/г.

ОПВП 2 представляет собой Honeywell Titan^® 7608, имеющий плотность 0,99 г/см³ и показатель кислотности 28–32 мг KOH/г.

ОПВП 3 представляет собой Honeywell Titan^® 7183, имеющий плотность 0,93 г/см³ и показатель кислотности 14–17 мг KOH/г.

Эмульгатор 2 представляет собой талловый амин, замещенный двумя этиленоксигруппами.

Кислота представляет собой ледяную уксусную кислоту.

Стабилизатор 2 представляет собой метабисульфит натрия.

Получение битумной эмульсии

Различные примеры и сравнительные примеры битумных эмульсий получают с использованием готовых базовых битумных эмульсий и эмульсий окисленного полиэтилена. Битумные эмульсии получают путем смешивания базовых битумных эмульсий и эмульсий окисленного полиэтилена в течение 60 минут при скорости 600 об/мин с использованием низкоскоростного миксера. В таблице III приведен перечень компонентов, включенных в битумные эмульсии, со всеми количествами в масс.% в расчете на общую массу битумных эмульсий. В таблице III дополнительно представлены выбранные физические свойства битумных эмульсий.

Таблица III

Прим.
1 Прим. 2 Прим. 3 Прим.
4 Прим. 5 Прим. 6 Базовая битумная эмульсия 1,
м. д. 100 100 100 100 0 0 Базовая битумная эмульсия 2,
м. д. 0 0 0 0 100 100 Базовая битумная эмульсия 3,
м. д. 0 0 0 0 0 0 Эмульсия 1 ОПВП, м. д. 10 0 0 0 0 0 Эмульсия 2 ОПВП, м. д. 0 10 0 7 10 7 Эмульсия 3 ОПВП, м. д. 0 0 10 0 0 0 Стабильность при хранении, 24 ч 0,9 0,8 1,3 0,4 – – Стабильность при хранении, 5 суток 4,5 4,2 7,2 3 2,7 3 Точка размягчения, °C – – – 94 76,5 71,6 Прочность на сдвиг при M2, битумная смесь к битумной смеси – – – – 0,584 –   Прим.
7 Прим. 8 Прим. 9 Прим. 10 Сравн. прим. 1 Сравн. прим. 2 Базовая битумная эмульсия 1,
м. д. 0 0 0 0 0 0 Базовая битумная эмульсия 2,
м. д. 100 0 0 0 100 0 Базовая битумная эмульсия 3,
м. д. 0 100 100 100 0 100 Эмульсия 1 ОПВП, м. д. 0 0 0 0 0 0 Эмульсия 2 ОПВП, м. д. 5 10 7 5 0 0 Эмульсия 3 ОПВП, м. д. 0 0 0 0 0 0 Стабильность при хранении, 24 ч – – – – – – Стабильность при хранении,
5 суток 2,6 3,8 3,7 3,8 2,5 3,4 Точка размягчения, °C 65,2 89 80,3 71,2 52,6 62,2 Прочность на сдвиг при M2, битумная смесь к битумной смеси – 0,588 – – 0,372 0,508 Прочность на сдвиг при M2, стальная пластина к стальной пластине – 0,158 – – – 0,096 Прочность на отрыв при 0,61/M2 – 0,26 – – – 0,14

Стабильность при хранении в течение 24 часов и 5 суток измеряли в соответствии с испытанием T0665-1993 согласно методике T0719 2011 в промышленном стандарте JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for High Engineering, Китай.

Точку размягчения измеряли в соответствии с методикой T0606 промышленного стандарта JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for Highway Engineering, Китай.

Дополнительные образцы битумной эмульсии получают для иллюстрации влияния количества эмульсии окисленного полиэтилена на эффективность предотвращения оставления следов. В частности, выполняют качественное испытание эффективности предотвращения оставления следов, при котором пропитанный битумом картон покрывают битумной эмульсией и нагревают в печи в течение 30 минут при 60 °C. Полученные деэмульгированные битумные эмульсии затем тестируют на предмет клейкости, прикасаясь к деэмульгированным битумным эмульсиям пальцем и наблюдая за тем, остаются ли липкими деэмульгированные битумные эмульсии после периода нагревания при 60 °C или нет. Результаты такого тестирования приведены в таблице IV.

Таблица IV

  Прим. 11 Прим. 12 Прим. 13 Прим. 14 Прим. 15 Базовая битумная эмульсия 1, м. д. 100 100 100 100 100 Эмульсия 2 ОПВП, м. д. 5 6 7 8 9 Пластичность при 15°C > 100 > 100 > 100 89,5 75,2 Липкость при 50°C Да Нет Нет Нет Нет Липкость при 60°C Да Да Нет Нет Нет Липкость при 70°C Да Да Нет Нет Нет Стабильность при хранении,
5 суток 4 4,1 4,2 4,2 4,1   Прим. 16 Прим. 17 Прим. 18 Прим. 19 Прим. 20 Базовая битумная эмульсия 3, м. д. 100 100 100 100 100 Эмульсия 2 ОПВП, м. д. 5 6 7 8 9 Пластичность при 15°C – – – – – Липкость при 50°C Да Нет Нет Нет Нет Липкость при 60°C Да Да Нет Нет Нет Липкость при 70°C Да Да Нет Нет Нет Стабильность при хранении,
5 суток – – – – –

Пластичность измеряли в соответствии с методикой T0605 промышленного стандарта JTG E20-2011 Specification and Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixture for Highway Engineering, Китай.

Хотя в приведенном выше подробном описании был представлен по меньшей мере один пример осуществления, следует понимать, что существует большое число его вариантов. Следует также понимать, что пример осуществления или примеры осуществления являются лишь примерами и не предназначены для ограничения каким-либо образом объема, применимости или конфигурации. Представленное выше подробное описание, скорее, предоставит специалистам в данной области удобную концепцию для реализации того или иного примера осуществления. Следует понимать, что в функции и конструкции элементов, описанных в том или ином примере осуществления, можно вносить различные изменения без отступления от объема, как указано в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к битумным эмульсиям, композитным структурам для дорожного покрытия, сформированным из них. Технический результат – улучшение физических свойств. Битумная эмульсия содержит базовый битумный компонент, присутствующий в количестве от около 15 до около 70 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии, воду, присутствующую в количестве по меньшей мере около 25 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии, окисленный полиэтилен высокой плотности, присутствующий в количестве от около 1 до около 20 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии, где окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г и битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов. Способ формирования битумной эмульсии включает этапы: формирования базовой битумной эмульсии, содержащей базовый битумный компонент и воду; формирования эмульсии окисленного полиэтилена отдельно от базовой битумной эмульсии, где эмульсия окисленного полиэтилена содержит окисленный полиэтилен высокой плотности и воду, и при этом окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г; и объединения базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена с образованием указанной выше битумной эмульсии. Композитная структура дорожного покрытия содержит нижележащий агрегатсодержащий слой асфальта и слой асфальта на основе эмульсии, расположенный непосредственно на и поверх нижележащего агрегатсодержащего слоя асфальта, причем слой асфальта на основе эмульсии сформирован из указанной выше битумной эмульсии, при этом слой асфальта на основе эмульсии после осаждения не содержит агрегатных и других минеральных материалов, и необязательно вышележащий агрегатсодержащий слой асфальта, расположенный непосредственно на слое асфальта на основе эмульсии, причем вышележащий агрегатсодержащий слой асфальта, если он присутствует, расположен на противоположной стороне слоя асфальта на основе эмульсии по отношению к нижележащему агрегатсодержащему слою асфальта. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Битумная эмульсия, содержащая:

базовый битумный компонент, присутствующий в количестве от около 15 до около 70 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

воду, присутствующую в количестве по меньшей мере около 25 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

окисленный полиэтилен высокой плотности, присутствующий в количестве от около 1 до около 20 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

причем окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г; и

при этом битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов.

2. Битумная эмульсия по п. 1, в которой окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 15 до около 40 мг KOH/г, более предпочтительно от около 26 до около 35 мг KOH/г.

3. Битумная эмульсия по п. 1, в которой окисленный полиэтилен высокой плотности присутствует в количестве от около 0,5 до около 10 масс.% в расчете на общую массу окисленного полиэтилена высокой плотности и базового битумного компонента в битумной эмульсии.

4. Битумная эмульсия по п. 1, в которой окисленный полиэтилен высокой плотности имеет плотность от около 0,97 до около 1,01 г/см³.

5. Битумная эмульсия по п. 1, в которой базовый битумный компонент присутствует в количестве от около 45 до около 65 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии.

6. Битумная эмульсия по п. 1, в которой базовый битумный компонент имеет значение проникновения (PEN) в диапазоне от около 60 до около 100 дмм.

7. Способ формирования битумной эмульсии, причем способ включает этапы:

формирования базовой битумной эмульсии, содержащей базовый битумный компонент и воду;

формирования эмульсии окисленного полиэтилена отдельно от базовой битумной эмульсии, причем эмульсия окисленного полиэтилена содержит окисленный полиэтилен высокой плотности и воду, и при этом окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г; и

объединения базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена с образованием битумной эмульсии, причем битумная эмульсия содержит базовый битумный компонент, присутствующий в количестве от около 15 до около 70 масс.%, предпочтительно от около 20 до около 70 масс.%, воду, присутствующую в количестве по меньшей мере около 25 масс.%, предпочтительно от около 29 до около 77 масс.%, и окисленный полиэтилен высокой плотности, присутствующий в количестве от около 1 до около 20 масс.%, причем все количества приведены в расчете на общую массу битумной эмульсии, и при этом битумная эмульсия не содержит агрегатных и других минеральных материалов.

8. Способ по п. 7, в котором

объединение базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена включает объединение базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена при температуре композиции от около 15 до около 25°C;

формирование базовой битумной эмульсии включает нагревание базового битумного компонента до повышенной температуры по меньшей мере 130°C; и

формирование эмульсии окисленного полиэтилена включает нагревание смеси воды и окисленного полиэтилена высокой плотности до повышенной температуры по меньшей мере 100°C;

причем способ дополнительно включает охлаждение базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена до температуры, меньшей или равной около 40°C, перед смешиванием базовой битумной эмульсии и эмульсии окисленного полиэтилена.

9. Композитная структура дорожного покрытия, содержащая:

нижележащий агрегатсодержащий слой асфальта; и

слой асфальта на основе эмульсии, расположенный непосредственно на и поверх нижележащего агрегатсодержащего слоя асфальта, причем слой асфальта на основе эмульсии сформирован из битумной эмульсии, содержащей:

базовый битумный компонент, присутствующий в количестве от около 15 до около 70 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

воду, присутствующую в количестве по меньшей мере около 25 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

окисленный полиэтилен высокой плотности, присутствующий в количестве от около 1 до около 20 масс.% в расчете на общую массу битумной эмульсии;

причем окисленный полиэтилен высокой плотности имеет показатель кислотности от около 5 до около 50 мг KOH/г; и

при этом слой асфальта на основе эмульсии после осаждения не содержит агрегатных и других минеральных материалов; и

необязательно вышележащий агрегатсодержащий слой асфальта, расположенный непосредственно на слое асфальта на основе эмульсии, причем вышележащий агрегатсодержащий слой асфальта, если он присутствует, расположен на противоположной стороне слоя асфальта на основе эмульсии по отношению к нижележащему агрегатсодержащему слою асфальта.

10. Композитная структура дорожного покрытия по п. 9, в которой слой асфальта на основе эмульсии после осаждения имеет толщину от около 1,0 до около 4,0 см.