Способ получения модифицированного дорожного битума на основе полимерной композиции Российский патент 2025 года по МПК C08L95/00 C08J11/04 

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии получения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на основе полимерного модификатора, пластифицирующей добавки и дорожного битума марки БНД, и может быть использовано для приготовления высококачественных литых и горячих асфальтобетонных смесей с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Полимерно-модифицированный битум представляет собой трехкомпонентную систему - битумная основа / пластификатор / полимер - и качество конечного продукта зависит от качества каждого отдельного компонента. Пластифицирующие добавки, как и полимеры производятся специально для этого процесса.

Известен способ, описанный в патенте №2297990, согласно которому получают полимерно-битумное вяжущее, содержащее битум, полимер -бутадиен-стирольный термоэластопласт, пластификатор - индустриальное масло и высокомолекулярное поверхностно-активное вещество - тяжелые жирные кислоты (ТЖК).

Недостатком данного способа является использование индустриального масла в качестве пластифицирующей добавки, так как индустриальное масло в составе ПБВ ускоряет окислительную деструкцию бутадиен-стирольного термоэластопласта, в результате которой полимер теряет свои упруго-эластичные свойства в период эксплуатации дорожного покрытия. При этом разбавление битума индустриальным маслом приводит к утолщению масляной пленки, из-за чего адгезионные свойства вяжущего снижаются.

Известен способ получения полимерно-битумной композиции (патент RU 2748078), который включает смешение битума нефтяного дорожного и бутадиен-стирольного термоэластопласта. Дополнительно композиция содержит термопласт - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) и структурирующую суспензию, в качестве которой используется дизельное топливо, наномодифицированное многостенными углеродными нанотрубками (УНТ) с диаметром 15-40 нм, при следующем соотношении компонентов, мас. %: бутадиен-стирольный термоэластопласт 1-3; полиэтилен низкой плотности 1-3; дизельное топливо 0,02- 0,6; углеродные нанотрубки 0,0002-0,004; битум нефтяной дорожный - остальное.

Недостатком данного изобретения является сложный процесс приготовления полимер-битума, в который входит создание дополнительной композиции, содержащей в себе ПЭНП и структурирующую суспензию, в качестве которой используется дизельное топливо, наномодифицированное многостенными углеродными нанотрубками (при распределении УНТ в дизельном топливе используется энергия ультразвуковых колебаний в режиме акустической кавитации). При этом в разогретый до 90-100°С битум вводят бутадиен-стирольный термпоэластопласт и ПЭНП с дальнейшим нагреванием до 150-160°С и смешиванием в течение 30-40 мин без дополнительной пластификации (использования пластификатора), способствующей развитию пластической деформации, а не хрупкому разрушению при отрицательных температурах. Отсутствие пластификатора или его малое содержание может привести к ухудшению свойств полимерасфальтобетона - удобоукладываемости и уплотняемости, а также снижения производительности труда на асфальтобетонных заводах при их изготовлении в связи с высокой вязкостью вяжущего. Также рецептура в представленном изобретении сильно повышает себестоимость конечной продукции.

Также существует способ получения полимерно-битумного вяжущего (ПБВ), описанный в патенте RU 2573012. Согласно изобретению получают ПБВ, содержащий битум нефтяной дорожный и термопластичную полимерную добавку на основе модифицированного полиэтилентерефталата. В качестве термопластичного полимера оно содержит полимерную добавку на основе модифицированного полиэтилентерефталата, полученную путем совместной термохимической деструкции вторичного полиэтилентерефталата в присутствии олигопропиленгликоля или глицерина. Соотношение компонентов следующее, мас. %: полимерная добавка - 6-9, битум - остальное. Недостатками данного изобретения являются:

• термохимическая деструкция полимера перед его внесением в битум, что ведет к потере упруго-эластичных свойств и термостабильности полимера, ухудшению молекулярного взаимодействия в дисперсной системе битума и полимера, ухудшению адгезионных свойств полимерно-битумного битумного вяжущего, что подтверждается эксплуатационными характеристиками приготовленного ПБВ, а именно сцеплением с мрамором или песком, все образцы которых соответствуют образцу №2 по ГОСТ 11508-74 (не менее 3/4 покрытия поверхности минерального материала), отсутствию явного повышения интервала пластичности битума;

• отсутствие пластификатора может привести к ухудшению свойств конечного продукта - полимерасфальта;

• показатели получившихся образцов либо не соответствуют, либо находятся на границе требований ГОСТ Р 52056-2003 для ПБВ 60, не имея запаса по эксплуатационным характеристикам: значение глубины проникания иглы при 25°С - 54 (2% полимерная добавка - 1), 58 (4% полимерная добавка - 1 и 2% полимерная добавка - 2) и 60 (7 и 9% полимерная добавка - 1 и 4 и 9% полимерная добавка - 2) при требовании ГОСТ не менее 60; температура размягчения по кольцу и шару - 54 (2, 4, 6, 7 и 9% полимерная добавка - 1 и 4, 6, 7 и 9% полимерная добавка - 2) и 53°С (2% полимерная добавка - 2) при требовании не ниже 54°С; температура хрупкости - -17 (2% полимерная добавка - 1 и 2), -18 (4% полимерная добавка -1 и 2), и -20°С (7 и 9% полимерная добавка - 1 и 6, 7 и 9% полимерная добавка - 2) при требовании не выше -20°С.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ получения вяжущего для дорожного покрытия (патент RU 2038360), в процессе которого получают вяжущее, содержащее битум, блок-сополимеры алкадиена и стирола типа СБС и индустриальное масло при следующим количественном соотношении, мас. %: битум - 44,4-98,0; блок-сополимеры алкадиена и стирола (СБС) - 0,1-22,3; масло индустриальное (пластификатор) - 1,9-33,3. Способ получения битумного вяжущего подразумевает до введения в битум сополимера смешивание при 80-160°С сополимера с индустриальным маслом, после чего полученную смесь при перемешивании вводят при 110-160°С в битум.

Недостатком данного изобретения является низкое сродство индустриального масла, состоящего в основном из нафтеновых углеводородов, к блок-сополимерам алкадиена и стирола, что не позволяет достичь полной однородности вяжущего. Также индустриальное масло в составе ПБВ ускоряет окислительную деструкцию полимера, что ведет к быстрой потере эксплуатационных характеристик битума. Вяжущее обладает неудовлетворительной адгезией, довольно низкой растяжимостью, эластичностью, твердостью и, относительно используемых материалов, морозостойкостью.

Технической проблемой настоящего изобретения является разработка способа получения модифицированного дорожного битума на основе полимерной композиции, компонентами которого являются пылевидный полиэтилентерефталат (ПЭТФ-пыль), термонестабильный полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и некондиционный поликапролактон (ПЛК) в качестве компонентов полимерного модификатора, «Унипласт» в качестве пластифицирующей добавки и некондиционный товарный битум марки БНД 70/100 с достижением следующего технического результата: повышение эксплуатационных характеристик (температуры размягчения, температуры хрупкости, растяжимости, твердости, эластичности, сопротивления старению (прогреву), адгезии) полимерно-битумной композиции в сравнении с аналогичным по составу ПБВ, но на основе традиционного бутадиен-стирольного термоэластопласта (СБС-полимера), уменьшение влияния на окружающую среду пластиковых отходов за счет использования некондиционных и отходных полимерных модификаторов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения модифицированного дорожного битума, включающем смешивание компонентов - битума, пластифицирующей добавки и полимерного модификатора, согласно изобретению модифицированный битум получают на основе некондиционного товарного битума марки БНД 70/100, модифицированного добавлением 4% унипласта в качестве пластифицирующей добавки и 4% полимерной композиции, состоящей из отхода - пылевидного полиэтилентерефталата, термонестабильного полиэтилена высокого давления и некондиционного поликапролактона в соотношении 1:1:1, приготовленной оплавлением полимеров на песочной бане до их размягчения и смешивания между собой при температуре 220°С, дробления получившейся и остывшей массы до состояния флексы (хлопьев), экструзии хлопьев с получением филамента (однородной нити), дробления филамента для получения гранулята, при этом модифицированный битум получают смешиванием пластифицирующей добавки и полимерной композиции при температуре свыше 200°С в течение 20 минут с последующим смешиванием получившегося расплава с битумом при 150°С в течение 30 минут и отстаиванием при температуре окружающей среды 20±5°С в течение не менее 12 часов, при следующем соотношении компонентов, мас. %: битум - 92, пластифицирующая добавка - 4, полимерная композиция - 4.

В качестве основы для приготовления полимерно-битумной композиции используют некондиционный товарный битум марки БНД 70/100. Из таблицы 1 видно, что образец битума обладает, температурой размягчения, не удовлетворяющей требованиям ГОСТ 33133-2014 (фактическое значение 44, ГС при ГОСТ не ниже 47°С), неудовлетворительной температурой хрупкости (фактическое значение -16°С при ГОСТ не выше -18°С), низкой устойчивостью к термоокислительному процессу (старению) (фактическое значение 1,1% при ГОСТ не более 0,6%), а также неудовлетворительный индекс пенетрации (фактическое значение -1,5 при ГОСТ от -1,0 до +1,0).

В качестве пластифицирующей добавки использовали «Унипласт». При модификации в первую очередь определялась оптимальная концентрация пластифицирующей добавки, учитывая практичность растворения нестандартных полимерных модификаторов. В ходе ряда испытаний было установлено оптимальное содержание пластифицирующей добавки (4% от общей массы битума). Данный выбор обусловлен экономической целесообразностью внесения пластифицирующей добавки, удобством расплавления полимера в данном количестве добавки, а также снижением показателя твердости, который возможно восстановить за счет внесения полимерного модификатора и при этом улучшить теплотехнические и морозостойкие характеристики битума с целью получения образцов, аналогичных по своим свойствам маркам ПБВ.

После выявления оптимальной концентрации унипласта в битуме были изготовлены полимерные композиции (далее смесь №1-4) на основе ПЭТФ-пыли, ПЭВД и ПЛК. Приготовление смесей осуществилось следующим образом: полимеры оплавлялись на песочной бане до их размягчения и смешивались между собой при температуре 220°С, полученная масса после остывания дробилась до состояния флексы (хлопьев), после чего проводилась экструзия хлопьев с получением филамента (однородной нити) с последующим дроблением филамента для получения гранулята.

Смеси №1-4 имели следующее соотношение компонентов ПЭВД/ПЛК/ПЭТФ-пыль:

В общей массе испытывалось влияние на качество вяжущего от 1 до 4% мас. смесей №1-4 (также от общей массы образца) с сохранением содержания пластифицирующей добавки в 4% мас.

Наилучшими показателями обладает битум с добавлением 4% мае. смеси №1, при этом все значения соответствуют требованиям ГОСТ 52056-2003 для марки битума ПБВ 90. При этом, чтобы достичь схожего результата на основе СБС-полимера потребовалось 6% модификатора. В таблице 2 представлены сравнительные результаты.

Приготовление модифицированного битума осуществляют следующим образом: заранее подготовленную полимерную композицию смешивают с пластифицирующей добавкой при температуре свыше 200°С в течение 20 минут, получая расплав «пластифицирующая добавка : полимер», далее расплав смешивают с битумом при 150°С в течение 30 минут и отстаивают полученный модифицированный битум при температуре окружающей среды 20±5°С в течение не менее 12 часов, после чего проводят изучение интересующих физико-механических характеристик полученного продукта.

Характеристики приготовленных полимерно-битумных композиций на основе смесей №1-4 представлены в примерах 1-4 (таблицы 3-6). Также в примере 5 (таблица 7) представлен ПБВ 90, приготовленный на основе стандартного СБС-полимера. Пример 6 (таблица 8) - по прототипу настоящего изобретения.

Пример 1

- битум (92% мас);

- «Унипласт» (4% мас);

- смесь №1 (4% мас).

С увеличением концентрации полимерной смеси №1 показатели глубины проникания иглы, растяжимости и температуры хрупкости снижаются. При этом значительно увеличиваются температура размягчения и интервал пластичности вяжущего. По примеру 1 получают образец, по своим свойствам аналогичный ПБВ 90 (таблица 2).

Пример 2

Видно, что при повышении содержания смеси №2 в битуме постепенно увеличиваются пенетрация и размягчение, однако при этом значительно снижаются пластичность и морозостойкость, что не позволяет прировнять ни один из получившихся образцов к ПБВ, а также нельзя судить о значительном повышении эксплуатационных характеристик исходного БНД.

При увеличении содержания смеси №3 в битуме увеличивается глубина проникания иглы и растяжимость. Свыше 1% смеси постепенно снижаются температуры размягчения и хрупкости. При внесении 1% получившийся битум является аналогичным по своим характеристикам БНД 70/100, отвечающим ГОСТ 33133-2014, однако получить полноценный ПБВ не удалось.

Результаты свидетельствуют о повышении твердости и теплостойкости битума с параллельным снижением растяжимости и морозостойкости относительно увеличения содержания смеси №4. При этом образец с 4% смеси демонстрирует свойства, схожие с ПБВ 60, однако температура размягчения не соответствует требованиям для данной марки вяжущего (фактическое значение 51,3°С при требовании ГОСТ Р 52056-2003 для ПБВ 60 не ниже 54°С).

Полученные результаты говорят о том, что СБС-полимер не дает ощутимого запаса по хрупкости и не так сильно увеличивает температуру размягчения, в тех процентных отношениях, приведенными в исследованиях. Также стоит отметить его сильную дороговизну, что делает его не таким выгодным в использовании в сравнении с предложенными выше нестандартными полимерными модификаторами, так как для получения ПБВ 90 его потребовалось 6%, смеси №1 при тех же условиях - 4%.

Прототип обладает низкой эластичностью и твердостью, неудовлетворительной адгезией, небольшой растяжимостью, а также узким интервалом пластичности.

Таким образом, получают полимерно-битумную композицию на основе полимерного композиционного материала и пластифицирующей добавки, отвечающей по своим эксплуатационным характеристикам требованиям ГОСТ Р 52056-2003 к марке ПБВ 90 и превосходящей полимер-битум, но на основе дорогостоящего СБС-полимера, по показателям температуры размягчения и хрупоксти, интервала пластичности, эластичности, изменения температуры размягчения после прогрева, сцепления битума с минеральной частью, что подтверждает возможность использования отходов и некондиционных материалов для создания экономичных полимерных модификаторов без использования специализированных СБС-полимеров, а также достигается экологичность технологии за счет вторичного использования пластиковых материалов, которые могут пагубно влиять на окружающую среду.

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии получения полимерно-битумных вяжущих, и может быть использовано для приготовления высококачественных литых и горячих асфальтобетонных смесей. Способ получения модифицированного дорожного битума включает смешивание битума, пластифицирующей добавки и полимерного модификатора. В качестве исходного битума используют некондиционный товарный битум марки БНД 70/100, модифицированный добавлением 4% унипласта в качестве пластифицирующей добавки и 4% полимерной композиции, состоящей из отхода - пылевидного полиэтилентерефталата, термонестабильного полиэтилена высокого давления и некондиционного поликапролактона в соотношении 1:1:1. Полимерную композицию получают посредством оплавления полимеров на песочной бане до их размягчения и смешивания между собой при температуре 220°С, дробления получившейся и остывшей массы до состояния флексы (хлопьев), экструзии хлопьев с получением филамента (однородной нити) и дробления филамента с получением гранулята. Модифицированный битум получают смешиванием пластифицирующей добавки и полимерной композиции при температуре свыше 200°С в течение 20 минут с последующим смешиванием получившегося расплава с битумом при 150°С в течение 30 минут и отстаиванием при температуре окружающей среды 20±5°С в течение не менее 12 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 92, пластифицирующая добавка 4, полимерная композиция 4. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик полимерно-битумной композиции, а также уменьшение влияния на окружающую среду пластиковых отходов за счет использования некондиционных и отходных полимерных модификаторов. 8 табл., 6 пр.

Способ получения модифицированного дорожного битума, включающий смешивание компонентов - битума, пластифицирующей добавки и полимерного модификатора, отличающийся тем, что используют в качестве исходного битума некондиционный товарный битум марки БНД 70/100, модифицированный добавлением 4% унипласта в качестве пластифицирующей добавки и 4% полимерной композиции, состоящей из отхода - пылевидного полиэтилентерефталата, термонестабильного полиэтилена высокого давления и некондиционного поликапролактона в соотношении 1:1:1, приготовленной оплавлением полимеров на песочной бане до их размягчения и смешивания между собой при температуре 220°С, дробления получившейся и остывшей массы до состояния флексы (хлопьев), экструзии хлопьев с получением филамента (однородной нити), дробления филамента для получения гранулята, при этом модифицированный битум получают смешиванием пластифицирующей добавки и полимерной композиции при температуре свыше 200°С в течение 20 минут с последующим смешиванием получившегося расплава с битумом при 150°С в течение 30 минут и отстаиванием при температуре окружающей среды 20±5°С в течение не менее 12 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум 92 Пластифицирующая добавка 4 Полимерная композиция 4