резиносодержащий полимерный модификатор битума

Формула изобретения

Резиносодержащий полимерный модификатор битума, включающий битум, полиэтилен, резиновую крошку, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используется мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительная, при этом полиэтилен вводится вторичный как низкого, так и высокого давления при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум БНД 60/90	47-62
Мазут, марки 100	2-5
Резиновая крошка	30-35
Вторичный полиэтилен (ПЭ)	3-7
Известь строительная	3,0-6,0

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для устройства верхних слоев дорожных одежд.

Верхние слои покрытия должны обеспечивать высокие эксплуатационные качества дорог особенно на современных скоростных автомагистралях, расчетные скорости и безопасность автомобильного движения, защищать нижележащие конструктивные слои от доступа влаги и старения, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог. Одним из путей создания таких слоев может являться использование резино-битумных и полимерно-битумных вяжущих.

Изобретение относится к составам резиносодержащих полимерных модификаторов битума, которые могут быть использованы для получения резино-полимерно-битумных вяжущих, применяемых в дорожном строительстве для устройства верхних слоев покрытий дорог, строительстве аэродромов, покрытия спортивных площадок и др.

Основным компонентом используемых различных органоминеральных смесей являются вязкие дорожные битумы, удовлетворяющие требованиям (см. ГОСТ 22245 - 90). Однако зачастую используемые в дорожном строительстве битумы не соответствуют необходимым требованиям, что особенно относится к таким показателям вяжущего, как устойчивость при повышенных и пониженных температурах, адгезионным свойствам и т.п. В этих целях в последнее время широко используют битумы, модифицированные различными добавками органического и неорганического происхождения, что позволяет обеспечивать высокие эксплуатационные качества дорог.

Известны полимерные композиции, пригодные для применения в качестве модификатора битумного вяжущего [US 4829109, 09.05. 1989], состоящего из 20-50% этиленпропиленового эластомера с содержанием этилена 60-75%, 0-25% изотактического пропилена, 0-25% полиэтилена (плотностью 0,96-0,98) и 0-25% этиленвинилацетатного сополимера с содержанием этилена 60-95%. Битумная композиция содержит 70-90% битума и 30-10% указанного выше модификатора. В битумную композицию добавляются также инертные наполнители: кремнезем, каолин, смола, карбонат кальция и т.д. [патент US 4829109, С 08 L 95/00, 31/04, 23/12, 23/16, 1989]. Недостатком получаемой битумной композиции является высокая температура хрупкости, равная от -6 до -15°С.

Известен модификатор битума [патент РСТ WO/08866, A1, 17.11.1988] и применение его в битумных композициях (патент РСТ (WO) 88/08866, C 08 L 95/00, 23/02 (1988). Модификатор содержит 1-85% смазочных масел, 1-70% полимеров и 1-90% добавок. Достоинством модификатора является возможность вторичного использования масел, даже уже не пригодных к обычной эксплуатации. Недостатком указанной добавки является использование больших (до 30-50%) количеств дорогих синтетических полимеров и значительная липкость модификатора за счет большого содержания в нем жидких масел, что создает сложности при работе с ним и при транспортировке.

Наиболее близким по технической сущности является полимерный модификатор битума, получаемый в удобной форме для транспортировки и прямого введения в битумную массу на месте ее использования в дорожном строительстве с низкой температурой хрупкости и повышенной температурой размягчения (патент RU 2158742, С1 2000.11.10), содержащий:

Дорожный битум БНД 60/90 или 90/130	50-80
Резиновая крошка	10-25
Каучук синтетический полиизопреновый СКИ-3	1-5
Сополимер этилена с пропиленом или
полиэтилен высокого давления ПВЭД	1-10
Масло минеральное (соляровое,
индустриальное масло И-8А, нафтапласт)	1-15

Существенным недостатком указанного полимерного модификатора является то, что поставленная задача решается тем, что в качестве модифицирующей добавки модификатор битума содержит предварительно деструктурированную в битуме резиновую крошку. Однако известно, что при деструкции каучуков происходит старение и потеря их качества. Резиновая крошка, подвергнутая деструктуризации, теряет ряд ценных свойств, присущих каучукам. Кроме того, в процессе деструктуризации резиновой крошки в разогретом до 250°С битуме (в течение 30 минут) в битумном вяжущем будет интенсивно протекать его старение, что в дальнейшем может отрицательно сказаться на долговечности покрытия, в котором было использовано такое вяжущее.

Задача изобретения - разработка полимерного модификатора битума, позволяющего получать на базе дешевых компонентов битумное вяжущее с более высокой температурой размягчения и более низкой температурой хрупкости путем девулканизации резиновой крошки, без ее деструктуризации при повышенных температурах в битуме.

Сущность изобретения заключается в том, что резиносодержащий полимерный модификатор битума, включающий битум, полиэтилен, резиновую крошку, в качестве пластифицирующей добавки используется мазут, а в качестве девулканизирующего неорганического соединения - известь строительная, при этом полиэтилен вводится вторичный как низкого, так и высокого давления при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Битум (БНД 60/90 или БНД 90/130)	47-62
Мазут марки 100	2-5
Резиновая крошка	30-35
Вторичный полиэтилен (ПЭ)	3-7
Известь строительная	3,0-6,0

При приготовлении полимерного модификатора битума использовали битум БНД 60/90 (наиболее часто применяемый в условиях средней полосы и южных регионах России); резиновую крошку с диаметром частиц до 0,5-0,9 мм (отход производства резинотехнических изделий); вторичный полиэтилен (ПЭ) как низкой, так и высокой степени плотности, мазут марки 100 и неорганическое основание Са(ОН)₂ - известь строительную.

Модификатор готовят следующим образом. В разогретый до 160°С битум добавляют мазут, перемешивают 3-5 мин, затем вводят резиновую крошку, смешанную с известью строительной, продолжают нагревать (в течение 3-4 часов для набухания крошки при этой же температуре (160°С).

Вторичный полиэтилен (ПЭ) совмещают в отдельной порции с битумом в соотношении 1:1 при температуре 150-160°С. При этом битум подается постепенно при перемешивании в разогретый ПЭ. Количество введенного битума учитывается в общем его содержании.

Приготовленная смесь полиэтилена в битуме перемешивается при 150-160°C с ранее описанной смесью (битум+мазут+резиновая крошка+известь строительная), затем все вместе подается в экструдер и гранулируется. Предлагаемый модификатор битума получают в виде твердых нелипнувших гранул, размером в диаметре 0,5-0,6 мм, он пластичен, легко режется ножом и может быть легко введен в заданном соотношении в разогретый битум непосредственно на месте проведения дорожно-строительных работ. Это исключает проведение сложных операций приготовления полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) на основе дорогостоящих полимерных устройств, например коллоидных мельниц, и применение в этих целях пластифицирующих добавок типа индустриальных масел (до 8-10%), как правило, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства вяжущего. Кроме того, использование предложенного модификатора исключает необходимость перевозки приготовленного ПБВ в обогреваемых битумовозах.

Предлагаемый модификатор битума содержит предварительно девулканизированную в битуме резиновую крошку диаметром частиц 0,5-0,9 мм, являющейся отходом производства резинотехнических изделий. Крошка - вторично перерабатываемый полимер, использование ее позволяет утилизировать отходы резинотехнических изделий, в частности, скопившиеся в больших количествах отходы использованных шин и покрышек. Введение резиновой крошки в состав битумного вяжущего позволяет уменьшить расход дорогостоящих полимерных материалов и значительно удешевить модификатор битумного вяжущего.

Процессы девулканизации крошки, протекающие при перемешивании ее с битумным вяжущим в присутствии пластифицирующей добавки - мазута и неорганического основания (извести строительной), приводят к частичному распаду вулканизационной сетки в резине, способствуя более гомогенному смешиванию ее с битумом, с образованием вязкой пастообразной массы.

Введение в состав модификатора 3-7% полимерной добавки - вторичного полиэтилена (ПЭ) - способствует при смешении в экструдере с набухшей крошкой образованию твердых нелипнувших гранул с повышенными температурами размягчения и интервалом пластичности.

Использование в составе модификатора мазута в количестве 3-5% в сочетании с 1-3% неорганического основания - гашенной известью - способствует ускорению процесса девулканизации резиновой крошки, сокращая длительность процесса набухания полимерных цепей добавляемой резины.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Битум

Использовался битум нефтяной дорожный БНД 60/90. В табл. 1 представлены его физико-механические показатели. По показателям свойств исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Мазут

Использовался мазут, соответствующий марке 100 по ГОСТ 10585-99 "Топливо нефтяное. Мазут". В табл. 2 приведены его физико-химические показатели.

3. Известь строительная

Известь строительная применялась воздушная, гидратная (гашеная), соответствующая требованиям ГОСТ 9179-77. В табл. 3 приведены показатели свойств извести.

4. Вторичный полиэтилен (ПЭ)

Использован вторичный полиэтилен, отход полиэтилена высокой плотности (упаковочный материал и тара). В табл. 4 приведены его основные физико-механические характеристики.

5. Резиновая крошка

Использовалась резиновая крошка диаметром 0,5-0,9 мм (отход производства резинотехнических изделий).

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов резиносодержащего полимерного модификатора. В качестве используемых материалов использовались вышеописанные компоненты (битум, мазут, известь строительная, вторичный полиэтилен (ПЭ) и резиновая крошка).

За основные характеристики резиносодержащего полимерного модификатора приняты: температуры размягчения и хрупкости.

Образцы модификатора изготавливались следующим образом. Предварительно совмещали в соотношении 1:1 полиэтилен с битумом путем подачи в нагретый до 150-160°С вторичный полиэтилен расплавленного битума, при перемешивании до образования однородной массы.

В другой порции в разогретый до 160°С битум добавляли мазут, перемешивали 3-5 мин, вводили резиновую крошку, предварительно смешанную с известью, все вновь перемешивали и нагревали в течение 3-4 часов, после чего совмещали (также при перемешивании) с ранее приготовленным составом: вторичный полиэтилен - битум. Далее приготовленная композиция пропускалась через экструдер с последующим гранулированием. В табл. 5 представлен состав и свойства полученного модификатора в сравнении с прототипом.

Из данных табл. 5 следует, что резиносодержащий полимерный модификатор битума предлагаемого состава обеспечивает повышение температуры размягчения и температуры хрупкости, значения которых превосходят параметры известных, например, по патенту RU 2158742 C1 (при применении полиэтилена высокого давления).

Разработанный модификатор используют для приготовления резино-полимерно-битумных вяжущих (РПБВ) путем добавления его в дорожный битум в соотношении 10-20 мас.% модификатора на 90-80 мас.% битума. Состав и свойства РПБВ, получаемых с применением предлагаемого модификатора, приведены в табл. 6-8. Содержание компонентов дано в мас.%.

Как видно из данных табл. 6-8, вяжущее содержит большее количество (почти в 2,5 раза) резиновой крошки по сравнению с известным. Введение в модификатор большего количества крошки (более 3,5%) нецелесообразно, т.к. в процессе перемешивания при приготовлении образуется очень вязкая, трудноперемешиваемая масса.

Предложенный модификатор позволил получить РПБВ с более низкой температурой хрупкости на 15-25% и более высокой температурой размягчения на 20-45% по сравнению с исходным битумом, что обеспечивает их эффективное применение для дорожных покрытий, работающих в условиях больших перепадов температур. Модификатор лишен липкости, может транспортироваться в удобной форме в виде гранул, пригоден для прямого введения в разогретый битум на месте его использования.

Использование в составе битумного вяжущего разработанного модификатора позволяет повысить сроки эксплуатации покрытий в 1,5 и более раза, устойчивость к образованию трещин, замедлять старение покрытий, снижать уровень шума, слепимость водителей транспортных средств, делает возможным избегать применение противогололедных средства и др.

Таблица 1
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОБЫ БИТУМА БНД 60/90, ДОСТАВЛЕННОЙ В ДОРТРАНСНИИ 8.04.04 ОАО "ДРСУ"
№ п/п	Наименование показателей	Показатели битума
1.	Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25°С при 0°С	87 25
2.	Растяжимость битума, см,
	при 25°С	100
	при 0°С	4,1
3.	Температура размягчения битума, °С	47
4.	Изменение температуры размягчения после прогрева, °С	4
5.	Температура хрупкости, °С	-18
6.	Температура вспышки, °С	233
7.	Индекс пенетрации	-0,59
8.	Сцепление вяжущего с минеральными материалами основных пород	Удовл.

Таблица 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЗУТА МАРКИ 100
№ п/п	Наименование показателя	Значения
1.	Вязкость при 80°С, условная, градусы ВУ	14,9
2.	Вязкость при 80°С, кинетическая, м 2/с (сСТ)	116,7·10 -6
3.	Вязкость при 100°С, условная, градусы ВУ	5,9
4.	Вязкость при 100°С, кинетическая, м 2/с (сСТ)	48,7·10 -6
5.	Зольность, %	0,14
6.	Массовая доля механических примесей, %	0,97
7.	Массовая доля воды, %	0,05
8.	Содержание водорастворимых кислот и щелочей	Отсутствуют
9.	Массовая доля серы, %	1,2
10.	Температура вспышки, °С в открытом тигле	190

Таблица 3
ПОКАЗАТЕЛИ СВОЙСТВ ИЗВЕСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ
Наименование показателя	Норма для извести гидратной, % по массе
5. Активные СаО+MgO	60
6. Содержание СО2	5
7. Непокасившиеся зерна	16

Таблица 4
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСПОЛЬЗОВАННОГО В РАБОТЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА (ПЭ)
Показатель	Значение
1. Предел прочности при растяжении, МПа	15,5
2. Относительное удлинение при разрыве, %	165
3. Морозостойкость, °С	45

Таблица 5
СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
№ п/п	Содержание компонентов, мас.%							Свойства
	Битум БНД 60/90	Мазут марки 100	Резиновая крошка	ПЭ	Известь Са(ОН)2	Масло	Каучук СКИ	Температура, °С
								Размягчения	Хрупкости
1	58,0	1	38	2	1	-	-	70	-23
2	62,0	2	30	3	3	-	-	78	-26
3	53,0	4	34	5	4	-	-	89	-27
4	47,0	5	35	7	6	-	-	92	-26
5	55,0	3	36	4	2	-	-	75	-24
Известный
6	80,0	-	10	5	-	2,5	2,5	53	-20
7	85,0	-	10	1	-	2,0	2,0	52	-23

Таблица 6
СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 10%)
№ п/п	Содержание компонентов, мас.%								Свойства
	Битум БНД 60/90	Мазут марки 100	Резиновая крошка	ПЭ		Известь Са(ОН) 2	Масло	Каучук СКИ	Температура, °С
									Размягчения	Хрупкости
1	96,2	0,2	3,0	0,3		0,3	-	-	57	21,0
2	95,3	0,4	3,4	0,5		0,4	-	-	60	21,2
3	94,7	0,5	3,5	0,7		0,6	-	-	64	22,0
Известный
4	96,5	-	1,5		1,0	-	0,5	0,5	48	-19
5	98,0	-	1,0		0,5	-	0,25	0,25	47	-17

Таблица 7
СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 15%)
№ п/п	Содержание компонентов, мас.%							Свойства
	Битум БНД 60/90	Мазут марки 100	Резиновая крошка	ПЭ	Известь Са(ОН) 2	Масло	Каучук СКИ	Температура, °С
								Размягчения	Хрупкости
1	94,3	0,30	4,5	0,45	0,45	-	-	62	-21,4
2	92,95	0,60	5,1	0,75	0,60	-	-	64	-21,9
3	92,05	0,75	5,25	1,05	0,9	-	-	67	-22,6
Известный
4	94,75	-	2,25	1,5	-	0,75	0,38	50	-20
5	97,00	-	1,5	0,75	-	0,38	0,38	48	-18

Таблица 8
СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЗИНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (содержание модификатора 20%)
№ п/п	Содержание компонентов, мас.%							Свойства
	Битум БНД 60/90	Мазут марки 100	Резиновая крошка	ПЭ	Известь Са(ОН) 2	Масло	Каучук СКИ	Температура, °С
								Размягчения	Хрупкости
1	92,4	0,4	6,0	0,6	0,6	-	-	63	22,6
2	90,6	0,8	6,8	1,0	0,8	-	-	66	-22,9
3	89,4	1,0	7,0	1,4	1,2	-	-	69	-23,1
Известный
6	93,0	-	3,0	2,0	-	1,0	1,0	51	-19
7	96,0	-	2,0	1,0	-	0,5	0,5	49	-17