ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МОДИФИКАТОР АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ Российский патент 2023 года по МПК C08L21/00 C08L23/06 C08L95/00 C04B24/24 

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к составам модификаторов для асфальтобетонной смеси, и может быть использовано при устройстве покрытий автомобильных дорог и аэродромов.

Известен модификатор асфальтобетонной смеси и способ его получения. Модификатор состоит из механоактивированного нефтяного кокса с дисперсностью от 10 до 15 мкм в количестве 70 мас. % и смеси нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском в количестве 30 мас. %, при массовом соотношении воск:битум = 1:30 соответственно. Способ получения модификатора асфальтобетонной смеси заключается в том, что на этапе 1 готовят 30 мас. % смеси нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, для чего подают смесь в обогреваемый смеситель в соотношении воск:битум = 1:30 и перемешивают при температуре 120-140°С до полной однородности состава; на этапе 2 берут 70 мас. % предварительно механоактивированного до дисперсности 10-15 мкм нефтяного кокса, подают его порционно в обогреваемый смеситель с приготовленной на этапе 1 смесью нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, смесь доводят до полной однородности состава, полученный модификатор асфальтобетонной смеси направляют в гранулятор, где получают конечный продукт в виде гранул необходимого гранулометрического состава (RU 2748791, МПК C04B 26/26; C08L 95/00, опубликовано 31.05.2021 г.).

Известен модификатор асфальтобетонной смеси гранулированный содержащий вулканизированный каучук и композицию модифицирующих компонентов. Причем модификатор имеет форму гранул с линейным размером от 3 до 15 мм и состоит из связующего, эластичного полимерного наполнителя, сшивающего и структурирующего агента, минерального структурного упрочняющего наполнителя и поверхностно-активного вещества - адгезива при количестве компонентов в гранулах (мас.%): связующее 20-40; эластичный полимерный наполнитель 40-60; сшивающий и структурирующий агент 1-4; минеральный структурный упрочняющий наполнитель 5-20; поверхностно-активное вещество - адгезив 2,0-4,5 (RU 2472730, МПК C04B 26/00; C04B 26/26, опубликовано 20.01.2013 г.).

Известна модифицирующая композиция для асфальтобетонных смесей, содержащая активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм и с величиной удельной геометрической поверхности не менее 5000 см2/г, полученный путем термомеханического измельчения резинового вулканизата в присутствии антиагломератора, выбранного из группы: парафин, озокерит и галогенсодержащие спирты-теломеры в количестве 0,1-2,0% от массы резинового вулканизата, а также композиция содержащая метасиликат игольчатой структуры, инициатор гелеобразования, выбранный из группы: 4-нитро-N-метиланилин, N-метил-N, 4-динитрозоанилин, N-(2-метил-2-нитропропил)-4-нитрозоанилин, N-нитрозодифениламин, и, по меньшей мере, один структурирующий агент с повышенным индукционным периодом структурирования не менее 30 мин при температуре 160°С, выбранный из группы: олигомерная эпоксиэфирная смола, эпоксиднодиановая смола, поликонденсационная смола, способствующая образованию разветвленных или сетчатых структур, при следующем соотношении компонентов, мас.%: активный резиновый порошок 65-90, метасиликат игольчатой структуры 4,0-25,0, инициатор гелеобразования 1,0-4,5, структурирующий агент или структурирующие агенты 1,7-6,0. Изобретение также касается способа получения модифицированной асфальтобетонной смеси (RU 2377262, МПК C04B 26/26, опубликовано 27.12.2009 г.).

Известен полимерно-армирующий гранулированный стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона включающий битум и полиамидное волокно, причем в качестве полимерно-армирующей добавки он содержит отход гидроизоляции трубопроводов - АрмПЭВА, представляющий собой отход двухслойной ленты усадочного материала для изоляции труб, состоящий из слоя адгезионной активной композиции клея-расплава на основе сополимера этилена с винилацетатом и слоя радиационно-сшитого полиэтилена, обработанного электронами с нанесенным на него термоплавким клеем, а в качестве адгезива - поверхностно-активное вещество катионного типа - КАДЭМ-ВТ, представляющего собой катионный реагент, изготовленный из кислот растительного или животного происхождения фракции С16-С20 и полиэтиленполиамина, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум БНД 60/90 - 28,0-38,0, полиамидное волокно - 31,0-35,0, указанная полимерно-армирующая добавка - 30,0-35,0, указанное поверхностно-активное вещество - 1,0-2,0 (RU 2272795, МПК C04B 26/26, опубликовано 27.03.2006 г.)..

Известные на сегодняшний день модификаторы асфальтобетонных смесей, имеют узконаправленный профиль и недостаточную функциональность: одни либо улучшают высокотемпературные свойства, другие низкотемпературные свойства, а третьи улучшают технологические свойства. Кроме того ни один из модификаторов не решает одновременно проблемы и усталостной долговечности, стойкости к пластическим деформациям при высоких летних температурах, ударной прочности покрытий автомобильных дорог при отрицательных температурах в зимний период времени и экстремальных нагрузках от большегрузного автомобильного транспорта.

В направлении использования вторичных материальных ресурсов особое место занимает проблема утилизации и применения изношенных автомобильных и авиационных шин. Проблема утилизации изношенных шин имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран мира. По длительности загрязнения окружающей среды шины являются одними из самых устойчивых загрязнителей (размещенные на полигонах шины не подвергаются разложению в течение 50 и более лет). С ростом автомобильного парка растут и объемы изношенной резины, которая может быть успешно использована при производстве высококачественных асфальтобетонных смесей и комбинированных битумных вяжущих, и мастик.

Несоответствие уровня качества автомобильных дорог уровню современных потребностей и спросу на автомобильные перевозки приводит к неоправданно огромным расходам бюджета. Выпускаемые в настоящее время битумные вяжущие не соответствуют климатическим и транспортным условиям эксплуатации. Очевидно, что для сохранения межремонтных сроков автомобильных дорог необходимо применить комплекс мер по повышению долговечности покрытий автомобильных дорог. Одной из таких мер является модификация асфальтобетонов и битумных вяжущих.

Пластиковые отходы разлагаются сотни лет, поэтому наносят огромный урон окружающей среде, накапливаясь в ней. В работах отечественных и зарубежных ученых неоднократно подтверждено то, что с помощью добавления в асфальтобетон различных полимерных модификаторов возможно значительно увеличить срок службы автомобильных дорог. В заявляемом изобретении предлагается рациональное решение вышеуказанных проблем - разработка модификатора который может быть успешно использован при производстве высококачественных асфальтобетонных смесей и комбинированных битумных вяжущих и мастик. Покрытия, построенные с использованием таких композиционных материалов, значительно долговечнее.

Задачей стоящей перед автором является создание композиционного модификатора асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Задача решается за счет использования резиновой крошки из автомобильных шин и вторичных полимеров (полиэтилен высокого и низкого давления) в качестве основных компонентов в составе заявляемого модификатора асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих.

Сущностью заявляемого изобретения является повышение прочности асфальтовых покрытий благодаря использованию в качестве добавки композиционного модификатора асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих, и представляющего собой гранулированный материал, состоящий из термоэластопластов и эластомеров (резиновая крошка и полимеры) в качестве основы, а также целевых и функциональных компонентов.

Заявляемый модификатор состоит из следующих компонентов, мас.%:

Резиновая крошка 80-82 Полиэтилен низкого давления 5-7 Битум строительный 3-5 Полиэтилен высокого давления 5-7 Полиэтиленовый воск 0,5-1 Пластификатор из возобновляемых источников 0,5-1 Тальк 1-2

Характеристика компонентов заявляемого модификатора:

Резиновая крошка - улучшает сопротивляемость к пластическим деформациям, повышает усталостную долговечность и трещиностойкость.

Полиэтилен низкого давления - повышает термостабильность битумного вяжущего.

Битум строительный - технологическая добавка, используется для формирования гранулы.

Полиэтиленовый воск - компонент для повышения технологичности асфальтобетонной смеси. Полиэтилен высокого давления - используется для улучшения показателя истираемости асфальтобетонных покрытий.

Пластификатор из возобновляемых источников - улучшает низкотемпературные свойства асфальтобетонных покрытий.

Тальк - выполняет функции антиагломерируюшей добавки.

Размер гранулы модификатора от 3 до 6 мм.

Композиционный модификатор на основе изношенных автомобильных шин и вторичных полимеров предназначен для модификации асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих. Модификатор выполняет функцию стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей и функцию полимерно-дисперсного армирования асфальтобетонов. Дорожные покрытия с применением заявляемого модификатора которые относятся к материалам повышенной долговечности и характеризуются высокой сдвигоустойчивостью, устойчивостью к колее и трещинообразованию, морозостойкостью, повышенной водостойкостью, высокой ударной прочностью при отрицательных температурах, повышенной устойчивостью к усталостным явлениям, что вкупе позволит увеличить долговечность автомобильных дорог. Применение заявляемого модификатора в верхних слоях дополнительно позволит снизить шум и изменить его спектр, а применение в верхних и нижних слоях одновременно позволяет достигнуть синергетического эффекта по вышеуказанным характеристикам.

Процесс изготовления модификатор основывается на том, что резиновая крошка фракции до 0,5 мм подается совместно с полимерами, битумом марки БН 90/10 и бифункциональным пластификатором на основе возобновляемых источников подается в пресс-гранулятор где под воздействием высокой температуры, истирающего воздействия и давления от пресс-вальцов полностью девулканизируется, активируется и химически соединяется с молекулами битума, в результате чего получается-гранулированный модификатор.

При приготовлении резино- полимерного битумного вяжущего (РПБВ), с вышеуказанным модификатором, стабильно при хранении, значительно улучшает такие параметры вяжущего, как дуктильность, эластичность и индекс пенетрации и существенно улучшает свойства асфальтобетона.

На таблице 1 показано сравнение физико-химических свойств ЩМА-15 без модификатора и c заявляемым модификатором (3 примера):

Пример №1

ЩМА-15, на БНД 60/90 c заявляемым модификатором 10% от массы битума. Состав модификатора: резиновая крошка 82%, полиэтилен низкого давления 5%, полиэтилен высокого давления 5%, битум строительный 5%, полиэтиленовый воск 0,5%, пластификатор из возобновляемых источников 0,5%, тальк 2%.

Пример №2

ЩМА-15, на БНД 60/90 c заявляемым модификатором 10% от массы битума. Состав модификатора: резиновая крошка 80,5%, полиэтилен низкого давления 6%, полиэтилен высокого давления 6%, битум строительный 4,5%, полиэтиленовый воск 1%, пластификатор из возобновляемых источников 0,5%, тальк 1,5%.

Пример №3

ЩМА-15, на БНД 60/90 c заявляемым модификатором 10% от массы битума. Состав модификатора: резиновая крошка 81,5%, полиэтилен низкого давления 6,5%, полиэтилен высокого давления 6,5%, битум строительный 3%, полиэтиленовый воск 1%, пластификатор из возобновляемых источников 0,5%, Тальк 1%

Способ приготовления асфальтобетонной смеси с использованием заявляемого модификатора:

Заявляемый модификатор применяется по двум известным направлениям модификации - сухому (методологии "Евроасфальт") и мокрому (методология "Суперасфальт").

При сухом способе, модифицирующая добавка вводится в асфальтобетонную смесь непосредственно в момент ее приготовления на асфальтобетонном заводе (АБЗ) для этих целей, как правило, используется линия подачи стабилизирующей добавки и модернизация производства не требуется.

При мокром способе - модифицирующая добавка дозируется в битум на установках служащих для производства модифицированных битумных вяжущих, которые в свою очередь используются для приготовления асфальтобетонных смесей на АБЗ.

Оба способа объединяет основная проблема - нехватка пластичных компонентов в составе битумов нефтяных дорожных (БНД). Относительно высокое отношение асфальтенов к смолам приводит к вынужденному введению пластификатора при производстве полимерно-битумного вяжущего (ПБВ), в тем большем количестве, чем менее развита дисперсионная среда в исходном битуме. В то же время, большие количества добавляемых к битуму товарных масел, например индустриальных, приводят к снижению адгезии смеси к большинству субстратов из-за возникновения эффекта граничной смазки, миграции масла к поверхности слоя, кроме того, добавление индустриальных масел напрямую запрещено стандартами.

По этой причине необходим эффективный модификатор имеющий в своем составе пластификатор, подача которого в относительно небольшом количестве позволила бы преодолеть указанные затруднения. Необходимость подачи пластификатора играет положительную роль, т.к. кроме функции мягчителя для всего композита, пластификатор одновременно может выполнять функцию агента термохимической девулканизации дробленой резины, поверхность которой на стадии получения активного резинового порошка уже предварительно развита при помощи технологии предварительной активации. В качестве такого бифункционального пластификатора предлагается использовать композит собственного производства на основе возобновляемых источников растительного сырья - по химическому составу состоящий из природных восков, жирных кислот разной степени непредельности, олеиновой и линолевой кислот в смеси с эфирами этих кислот. Этот вязкотекучий пластификатор имеет высокую температуру вспышки (выше 260°С), не содержит минеральных масел, как того и требуют действующие стандарты на полимерно-битумные вяжущие. Наличие карбоксильных групп и алициклической углеводородной части определяет не только высокую активность пластификатора в термохимическом мягчении активного резинового порошка, но и за счёт смещения заряда обеспечивает хорошее адгезионное взаимодействие готового вяжущего с поверхностью каменного материала по электростатическому механизму. Таким образом, пластификатор имеет двойное функциональное назначение. Также выбранный пластификатор, совмещаясь с битумной матрицей, формирует коллоидно-стабильную дисперсионную среду, хорошо удерживающую образующуюся в процессе набухания пространственную сетку термоэластопласта (ТЭП), а также препятствует пептизации асфальтенов битумов из «сухого» сырья. Учитывая склонность ненасыщенных дикарбоновых кислот к реакциям конденсации, можно предположить возможность их прививки к бутадиеновым фрагментам активированного резинового порошка с разрушенными серными мостиками.

Таким образом, благодаря развитию поверхности частиц микро и наноуровня, и применению специального комбинированного пластификатора вводимого в смесь активированного резинового порошка (АРП) с развитой поверхностью, является в композиционном материале не инертным армирующим наполнителем, который не изменяет структуру и свойства битумной матрицы, а является связанным на коллоидном уровне полноценным компонентом нового композиционного материала. Благодаря взаимодействию АРП после термохимического воздействия с гетероатомами высокомолекулярных соединений битумной матрицы, образуется коллоидная структура с иными свойствами, нежели при прямом введении неактивного резинового порошка в качестве армирующего заполнителя. Также, у получаемого в процессе производства вяжущего, получаются несколько отличающиеся от традиционного ПБВ показатели: оно характеризуется более высокой глубиной проникания иглы, чем ПБВ той же марки на ТЭП, более высоким значением пенетрации при 0°С и гарантированной эластичностью при этой температуре. Перечисленные показатели являются нередко проблемными при производстве стандартного ПБВ на термоэластопластах с использованием наиболее распространенных битумов и масел-пластификаторов нафтеновой или ароматической природы, а также гудрона. Наличие двух не взаимодействующих между собой структурных сеток радиального и линейного ТЭП внутри химически активной дисперсионной среды смеси дикарбоновых кислот разной структуры, а также устойчивого коллоидного раствора фрагментарно распределённых в дисперсионной среде бутадиеновых цепей АРП приводят к получению продукта с новыми свойствами. За счёт стабилизирующего действия гелеобразной бутадиеновой матрицы подавляется известная тенденция к всплыванию ТЭП в парафинистых битумах. Комбинированное вяжущее будет иметь запас по стандартным показателям и хорошую стойкость к термоокислительному старению.

Заявляемый композиционный модификатор с активированным резиновым порошком, является новым материалом в дорожной отрасли и в то же время полностью соответствует стандартам на модифицированные асфальтобетоны и битумные вяжущие, также выполняет важную роль как «переходной» продукт, позволяющий утилизировать изношенные автомобильные шины, вторичные полимеры и использовать экологичный пластификатор на основе возобновляемых источников сырья. Также модификатор призван обеспечить снижение стоимости строительства с увеличением срока службы дорожных одежд.

Разработка композиционного модификатора асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих, повышающего долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов в широком диапазоне климатических условий и транспортных-эксплуатационных условий; также повышает физико-механические свойства асфальтобетонов всех типов и битумных вяжущих применяемых в верхних и нижних слоях покрытия, а также в верхних слоях основания дорожных одежд автомобильных дорог.

Дорожные покрытия с применением заявляемого модификатора имеют повышенную долговечность и характеризуются высокой сдвигоустойчивостью, устойчивостью к колее и трещинообразованию, морозостойкостью, повышенной водостойкостью, высокой ударной прочностью при отрицательных температурах, повышенной устойчивостью к усталостным явлениям, что вкупе позволит увеличить долговечность автомобильных дорог. Применение модификаторов в верхних слоях дополнительно позволит снизить шум и изменить его спектр, а применение в верхних и нижних слоях одновременно позволяет достигнуть синергетического эффекта по вышеуказанным характеристикам.

Повышение сдвигоустойчивости на 20-30%, увеличение устойчивости к колееобразованию до 3-х раз, повышенная морозостойкость до 20-25%, повышенная водостойкость на 10-15%, повышенная устойчивость к усталостным явлениям в 1,5 - 2 раза и более.

Асфальтобетонные смеси, изготовленные с заявляемым композиционным модификатором, будут обладать расширенными свойствами:

- повышенной прочностью в летнее время года;

- увеличенным интервалом надежной работы как при экстремально низких так и при экстремально высоких температурах в зависимости от времени года;

- повышенной в несколько раз устойчивости к колее - и трещинообразованию;

- длительной стойкости к усталостным явлениям в широком диапазоне температур окружающей среды;

- устойчивости к факторам влияния знакопеременных температур в осенне-весенние периоды года.

Таким образом, поставленная перед автором задача выполнена.

Изобретение может быть использовано при изготовлении асфальтобетонных покрытий дорог. Полимерный композиционный модификатор асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих выполнен в виде гранул и содержит резиновую крошку, полиэтилен, битум строительный, полиэтиленовый воск, пластификатор из возобновляемых источников и тальк. Полиэтилен представляет собой полиэтилен низкого и высокого давления. Изобретение позволяет увеличить сдвигоустойчивость, усталостную долговечность, прочность при повышенной температуре и устойчивость к колееобразованию асфальтобетонного покрытия при сохранении его высокой ударной прочности при пониженной температуре. 1 табл., 3 пр.

Полимерный композиционный модификатор асфальтобетонных смесей и битумных вяжущих, выполненный в виде гранул и содержащий резиновую крошку, битум строительный, полиэтиленовый воск, пластификатор из возобновляемых источников, тальк, отличающийся тем, что содержит полиэтилен высокого и низкого давления, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

резиновая крошка 80-82 полиэтилен низкого давления 5-7 битум строительный 3-5 полиэтилен высокого давления 5-7 полиэтиленовый воск 0,5-1 пластификатор из возобновляемых источников 0,5-1 тальк 1-2