композиция для изготовления дорожного покрытия

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ, включающая по меньшей мере 85 мас.% заполнителей и битум с пенетрацией менее 600 при 25^oС с растворенным в нем основным катализатором - органическим соединением марганца, или кобальта, или меди, или смеси двух и более из них, в котором анион выбран из группы: карбоновая кислота, спирт, фенол, кетон и имеет длину цепи до 30 атомов углерода, при этом количество основного катализатора равно 0,01 - 0,50 мас.% битума в пересчете на ион марганца, и/или кобальта, и/или меди, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вспомогательный катализатор - растворимое в битуме органическое соединение железа.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов, растворенную в органическом масле.

3. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что она содержит органическое масло в количестве 0,5 - 16,0% по массе общих ионов металла.

4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов в битуме в количестве от массы битума 0,015 - 0,5% ионов железа и ионов марганца, и/или кобальта, и/или меди.

5. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов в битуме в количестве от массы битума 0,05 - 0,5% ионов железа и ионов марганца, и/или кобальта, и/или меди.

6. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов в битуме в количестве от массы битума 0,05 - 0,25% ионов железа и ионов марганца, и/или кобальта, и/или меди.

7. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательный катализатор в количестве от массы битума 0,005 - 0,20% ионов железа.

8. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательный катализатор в количестве от массы битума 0,01 - 0,15% ионов железа.

9. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит основной катализатор в количестве от массы битума 0,05 - 0,25% ионов марганца, и/или кобальта, и/или меди.

10. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит битум с пенетрацией 40 - 300 при 25^oС.

11. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательный катализатор, в котором анион выбран из группы: карбоновая кислота, спирт, фенол, кетон.

12. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательный катализатор, в котором карбоксильный анион имеет до 30 атомов углерода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для приготовления композиций дорожных покрытий.

Известна асфальтобетонная композиция для дорожного покрытия, содержащая битум, минеральные материалы и органическое соединение железа - соль карбоновых кислот в количество 0,2-0,3 мас.%.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является композиция для дорожного покрытия, включающая по меньшей мере 85 мас. % заполнителей и битум с пенетрацией менее 600 при 25^оС с растворенным в нем основным катализатором - органическим соединением марганца или кобальта, или меди, или смеси двух или более из них, в котором анион выбран из группы карбоновая кислота, спирт, фенол, кетон и имеет длину цепи до 30 атомов углерода. Количество основного катализатора равно 0,01-0,50% по массе битума в пересчете на ион марганца и/или кобальта, и/или меди.

Недостаток указанных композиций - невысокая скорость отверждения дорожного покрытия при более низких температурах укладки смесей.

Цель изобретения - увеличение скорости отверждения дорожного покрытия при более низких температурах укладки смесей, а также повышение прочности получаемого покрытия.

Цель достигается тем, что композиция для изготовления дорожного покрытия, включающая по меньшей мере 85 мас.% заполнителей и битум с пенетрацией менее 600 при 25^оС и растворенным в нем основным катализатором - органическим соединением марганца или кобальта, или меди, или смеси двух и более них, в котором анион выбран из группы карбоновая кислота, спирт, фенол, кетон, и имеет длину цепи до 30 атомов углерода, при этом количество основного катализатора равно 0,01-0,50% по массе битума в пересчете на ион марганца и/или кобальта, и/или меди, дополнительно содержит вспомогательный катализатор - растворимое в битуме органическое соединение железа.

Композиция содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов, растворенную в органическом масле. Количество органического масла - 0,5-16,09 по массе общих ионов металла.

Композиция содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов в битуме в количестве от массы битума 0,015-0,5% ионов железа и ионов марганца и/или кобальта, и/или меди.

Композиция содержит смесь основного и вспомогательного катализаторов в битуме в количестве от массы битума 0,05-0,5% ионов железа и ионов марганца и/или кобальта, и/или меди.

Композиция содержит смесь основного и вспомогательного катализатора в битуме в количестве от массы битума 0,05-0,25% ионов железа и ионов марганца и/или кобальта и/или меди.

Композиция содержит вспомогательный катализатор в количестве от массы битума 0,005-0,20% ионов железа.

Композиция содержит вспомогательный катализатор в количестве от массы битума 0,01-0,15% ионов железа.

Композиция содержит основной катализатор в количестве массы битума 0,05-0,25% ионов марганца и/или кобальта, и/или меди.

Композиция содержит битум с пенетрацией 40-300 при 25^оС. Композиция содержит вспомогательный катализатор, в котором анион выбран из группы карбоновая кислота, спирт, фенол, кетон. Композиция содержит вспомогательный катализатор, в котором карбоксильный анион имеет до 30 атомов углерода.

Композиция битума изготавливается посредством обработки его сочетанием основного катализатора, содержащего соединение, выбранное из группы, состоящей из растворимых в битуме марганцевоорганического, кобальтоорганического и медноорганического соединений или смеси двух или более из них и вспомогательного катализатора, содержащего растворимое в битуме железоорганическое соединение, при этом битум сохраняется в жидком состоянии посредством нагревания. При практическом осуществлении изобретения предпочтительно, чтобы марганцевоорганическое соединение, одно или с кобальтоорганическим, и/или медноорганическим соединением, использовалось в качестве основного катализатора.

Основной и вспомогательный катализаторы должны быть рассеяны и растворены в битуме повсеместно и равномерно, так чтобы эффект повышения прочности последовательно передавался готовому продукту. Для оптимального рассеивания марганец, кобальт, медь и железо используются в форме органических соединений, которые растворимы в значительной части битума. Органические соединения могут быть незамещенными или замещенными (например серой, в частности сульфонатами или фосфором, в частности фосфатами). Надлежащие анионы для растворимых в битуме марганцевоорганических, кобальтоорганических, медноорганических и железоорганических соединений получаются из карбоновой кислоты, спиртов, фенолов и кетонов. Предпочтительные анионы включают в себя карбоксильные кислоты, содержащие до 30 атомов углерода в цепи, например ацетаты, эфиры, линолевой кислоты, октоаты, нафтенаты, олеаты, деконоаты, стераты и лауринаты и их смеси с другими кислотами. Также могут быть использованы вторичные, третичные или многофункциональные карбоксильные кислоты.

Сочетание основного и вспомогательного катализаторов может переноситься в органическом масле как средство понижения вязкости битумной смеси. Эта пониженная вязкость в некоторых случаях предпочтительна для облегчения транспортирования материала и для повышения точности применения и степени рассеивания при смешивании с битумом. Типичные используемые разбавители составляют 0,5 - 16 мас.% суммарных ионов металла к общему количеству добавок. Такие уровни органических масел приведут к уровням масел, составляющим менее 7 или 8 мас.% битума (обычно менее 5%), что значительно ниже уровня разжижающего масла, содержащегося в разбавленном продукте.

Существенные улучшения битума получаются посредством добавления относительно небольшого количества сочетания растворимых в битуме основного и вспомогательного катализаторов. Обычно используются достаточные количества для обеспечения суммарной концентрации ионов каталитического металла в диапазоне 0,015 - 0,5 мас.% битума. Предпочтительные суммарные концентрации ионов металла составляет 0,05 - 0,5 мас.% обрабатываемого битума, а наиболее предпочтительные суммарные концентрации ионов металла составляют 0,05 - 0,25 мас.% асфальтоцемента.

Рабочая концентрация ионов железа вспомогательного катализатора может находится в диапазоне 0,005 - 0,2 мас.% битума, с предпочтительной концентрацией ионов железа, находящейся в диапазоне 0,01 - 0,15 мас.% обрабатываемого битума. Рабочая концентрация ионов марганца и/или кобальта, и/или меди в основном катализаторе может находиться в диапазоне 0,01 - 0,50 мас.% обрабатываемого битума с предпочтительной суммарной концентрацией ионов марганца и/или кобальта, и/или меди в диапазоне 0,05 - 0,25 мас.% битума. Если концентрация основного и вспомогательного катализаторов падает ниже или превышает уровни, необходимые для получения указанных выше рабочих диапазонов ионов, то будет создана худшая по качеству композиция дорожного покрытия. Если были использованы чрезмерные концентрации основного и вспомогательного катализаторов, то образующаяся в результате композиция дорожного покрытия будет хрупкой и не сможет противостоять напряжениям и деформациям, которые практически имеют место. Кроме того, такое чрезмерное количество ионов марганца, кобальта и меди было бы неэкономичным. Если концентрация падают значительно ниже рабочих концентраций, то процесс затвердевания при более низких температурах затвердевания дорожного покрытия будет происходить с пониженной скоростью. В некоторых случаях повышенная прочность композиции дорожного покрытия не может быть получена при любых температурах затвердевания.

Сочетание основного и вспомогательного катализаторов, несомых, если желательно, органическим маслом, растворяется в битуме посредством нагревания его выше его точки размягчения или плавления до тех пор, пока он не станет достаточно жидким для повсеместного и равномерного рассеивания и растворения катализаторов. Этот способ определен как тепловое перемешивание. Катализаторы предпочтительно находятся в жидкой форме, для большинства обычных битумов необходимо нагревать его по меньшей мере до 100^оС, а обычно примерно 110 - 150^оС, чтобы привести его в жидкое состояние. При таких температурах вязкость композиции битума достаточно понижена для обеспечения повсеместного рассеивания и растворения катализаторов.

При обычном процессе обработки обрабатываемый битум сохраняется в жидком состоянии со времени его образования в течение нормального хранения и всего пути транспортирования к установке для перемешивания смеси. Здесь жидкий битум перемешивается с заполнителем, и смесь перемещается к месту нанесения покрытия, где она распределяется и плотно укладывается для образования дорожного покрытия. Альтернативой такой обычной обработки может быть нагрев битума на месте строительства, а катализатор может теплым перемещаться с битумом как раз до его объединения с заполнителем для образования дорожного покрытия.

Обработанный битум отличается вязкостью в жидком состоянии при повышенной температуре дорожного покрытия, сопоставимой с вязкостью обычного битума. Однако затвердевшее дорожное покрытие имеет значительно большую прочность по сравнению с покрытием, образованным из обычного битума даже тогда, когда оно затвердело при более низких температурах затвердевания. Слово "затвердевание" в настоящем контексте означает достижение фактически законченной реакции обеспечения прочности. Теплый, перемешанный, обработанный битум в жидкой форме на предприятии по перемешиванию битума (либо на месте) объединяют с предварительно нагретым и осушенным заполнителем для образования композиции для дорожного покрытия, содержащей однородную смесь из равномерно покрытых частиц заполнителя. Заполнитель предпочтительно нагревают в определенных условиях по времени и температуре для удаления по существу всей свободной влаги до перемешивания с битумом. В течение перемешивания как заполнитель, так и обработанный битум обычно находится при температуре 100 - 160^оС. Перед тем как композиция охлаждается до температуры, при которой она теряет пригодность к обработке, она распределяется и плотно укладывается. После этого обеспечивается возможность затвердевания обработанной композиции битума-заполнителя. После затвердевания дорожное покрытие содержит заполнитель, связанный вяжущим веществом обработанного битумом.

Заполнитель, используемый в изобретении, должен быть такого типа, который пригоден для желаемого типа дорожного покрытия. Он может находиться в диапазоне от мелких частиц, например песка, до относительно грубых частиц, например дробленого камня, гравия или шлака.

Большую часть массы заполнителя перемешивают с меньшей массовой частью обработанного битума, содержащего равномерно распределенные и растворенные в нем основной и вспомогательный катализаторы. Соотношение заполнителя с обработанным битумом такое же, как и типичное соотношение для конкретных применяемых дорожных покрытий. Так, например, в суммарной композиции дорожного покрытия по массе используют минимально 85% заполнителя, обычно 90 - 98%.

После того, как обработанная композиция битум-заполнитель подготовлена, она распределяется, плотно укладывается, ей обеспечивается возможность затвердевания. Для обработанных композиций битум-заполнитель, подготовленных согласно изобретению, приемлемое затвердевание происходит при окружающих температурах с умеренных повышением температур, например до 60^оС, ускоряющим процесс затвердевания. Однако весьма высокие температуры, например те, которые имеют место при продувке битума, вредны и не должны использоваться при осуществлении изобретения.

Как известно, мыла тяжелых металлов применяются в сочетании с битумом для ряда различных целей. Например, они используются для того, чтобы избежать растрескивания в продутом битуме, а также для предотвращения поверхностного растрескивания кровельных материалов. Мыла таких металлов используются в композициях для строительства дорог, состоящих из заполнителя и битуминозных разбавленных продуктов или из битумных эмульсий для повышения слабого сцепления битума в этих формах с заполнителем. В известном уровне техники указываются основные равноценные ионы многовалентных тяжелых металлов, используемые для этой цели.

Обнаружилось, что добавление к таким композициям сочетания основного катализатора, содержащего соединение, выбранное из группы, состоящей из растворимых в битуме марганцевоорганического, кобальтоорганического и медноорганического соединений или смеси двух или более из них, и вспомогательного катализатора, содержащего растворимое в асфальтоцементе железоорганическое соединение, из-за синергии между металлами вызывает повышение скорости получения прочности при более низких температурах затвердевания дорожного покрытия. Другим результатом синергии является способность композиции дорожного покрытия достигать того же самого повышения конечной прочности и улучшения других свойств при меньшем количестве марганца, кобальта или меди. Поэтому нет необходимости в том, чтобы суммарное содержание ионов металла было больше, нежели в том случае, когда используется один основной катализатор. Это позволяет получить более экономичную смесь дорожного покрытия, поскольку железо в виде металла менее дорогостоящее, чем марганец, кобальт и медь в виде металла. Необходимость повышения скорости получения прочности диктуется химическими свойствами любого данного битума или условиями применения. Не каждый битум или каждый ряд условий применения требует такого увеличения для достижения приемлемых эксплуатационных качеств.

П р и м е р 1. Были проведены сравнительные испытания с использованием битума с степенями пенетрации 60/70 и 180/200 без металлических присадок. Битум со степенью пенетрации 180/200 был обработан только магнием и магнием плюс железо. Песок, образуемый при дроблении гранита, был использован в качестве заполнителя в битумопесчанной смеси. В каждом случае битум составлял 7,0% суммарной смеси (т.е. приблизительно одна часть битума или обработанного битума на 13,3 части песка). Растворимыми в битуме металлоорганическими соединениями были таллаты, нафтенаты или октоаты, но можно не ограничиваться этими соединениями. Растворимые в битуме металлоорганические соединения (в жидкой форме) были вмешаны в битум, который находился в жидкой форме при температурах, достаточных для обеспечения легкого перемешивания растворимых в битуме металлоорганических соединений и битума (120 - 130^оС) так, чтобы образовать однородную смесь. Для повсеместного рассеивания металла в битуме было применено ручное перемешивание. Битум, обработанный или необработанный, был перемешан с предварительно нагретым, предварительно осушенным песком при одной и той же температуре и путем механического уплотнения были созданы образцы, имеющие диаметр, равный 4 дюймам и длину, равную 2,5 дюйма. После извлечения из уплотнительных форм некоторые из этих образцов затвердевали в печи с принудительной тягой при температуре 60^оС в течение 14 дней. Остальные образцы затвердевали при температуре окружающей среды, составляющей приблизительно 22^оС в течение дня и охлаждались ночью за период продолжительностью 28 дней для того, чтобы частично компенсировать то обстоятельство, что фактическая скорость реакции при 22^оС меньше, чем при 60^оС. Прочность на растяжение каждого образца, находившегося при температуре 60^оС, затем определялась посредством косвенных испытаний на прочность на растяжение с использованием раска- лывающегося цилиндра, со скоростью нагружения порядка 0,05 дюйма в минуту.

Результаты этих испытаний представлены в табл. 1.

Для этого битума введение сочетания ионов марганца и железа согласно изобретению увеличивает окончательную прочность композиции битум-заполнитель в образце, затвердевающем при температуре окружающей среды.

Эти данные также указывают на то, что битум со степенью пенетрации 180/200, который не может быть использован для возведения дорожного покрытия, со свойствами, достаточными для выдерживания нагрузки из-за малой прочности на растяжение, когда он подвергнут обработке ионами марганца/железа, поднимается до более достаточного уровня прочности на растяжение битума со степенью пенетрации 60/70.

П р и м е р 2. Серия испытаний, подобных указанным в примере 1, была выполнена с использованием битума из различных источников. Результаты этих испытаний представлены в табл. 2.

Приведенные результаты вновь указывают на то, что введение сочетания ионов марганца и железа согласно настоящему изобретению обеспечивает существенное и не ожидавшееся прежде повышение окончательной прочности композиции битум-заполнитель в образцах, затвердевших при температурах окружающей среды.

П р и м е р 3. В этой серии испытаний битум был тем же самым, что и в примере 1, но обработан был только битум со степенью пенетрации 180/200. Все условия проведения испытаний были одинаковыми, но в некоторых случаях добавлялся нафтенат кобальта. Сопоставлялись различные соотношения ионов железа и кобальта и результаты представлены ниже в табл. 3.

Приведенные результаты указывают, что сочетание ионов марганца и железа или ионов марганца, железа и кобальта в соответствии с изобретением существенно увеличивает скорость повышения прочности композиции битум-заполнитель в образцах, затвердевших при температурах окружающей среды.

П р и м е р 4. В этой серии испытаний битум был тем же самым, что и в примере 1. Все условия проведения испытаний были одинаковыми, при этом сравнивались различные соотношения железа и марганца. Результаты этих испытаний представлены ниже в табл. 4.

Этот пример иллюстрирует два важных преимущества изобретения. Во-первых, он указывает, что широкий диапазон соотношений двух металлов обеспечивает увеличение скорости затвердевания при температуре 22^оС, при этом каждое из них дает удовлетворительные результаты. Во-вторых, он иллюстрирует экономический стимул изобретения, показывая, что значительное количество марганца в виде металла может быть заменено менее дорогостоящим железом без существенного снижения прочности.

П р и м е р 5. Если бы испытания были выполнены так, как в примерах 1, 2 и 4, то марганец был бы заменен кобальтом или медью, то было бы получено подобное впечатляющее повышение окончательной прочности композиции битум-заполнитель в образцах, затвердевших при температурах окружающей среды.

Приведенные выше примеры в результате показывают, что композиция битум-заполнитель, изготовленная согласно изобретению, демонстрирует существенное повышение прочности, когда затвердевает при температурах окружающей среды. Когда композиции битум-заполнитель используются для дорожного покрытия при более низких температурах затвердевания дорожного покрытия, они затвердевают со скоростью, которая значительно выше, чем скорость затвердевания известных композиций, чтобы создать дорожное покрытие с более высокой прочностью на сжатие, изгиб и усталость, чем та, которую можно было получить прежде при более низких температурах затвердевания дорожного покрытия.