способ получения битумных вяжущих для дорожных покрытий

Формула изобретения

Способ получения битумного вяжущего для дорожных покрытий, включающий смешение и гомогенизацию битума, блоксополимера диена со стиролом, индустриального масла, отличающийся тем, что смешение и гомогенизацию проводят при 110 - 200^oC при осуществлении рециркуляции жидкой среды в рециркуляционном контуре, включающем, по крайней мере, битумплавильный котел, насос и камеру кавитационно-кумулятивной обработки, в которой осуществляют режим гидродинамической кавитации в частотном диапазоне 10 - 80 Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения композиционных строительных материалов, в частности битумных вяжущих для приготовления асфальтобетонных смесей, используемых при строительстве дорог.

Для улучшения свойств битумов, расширения их температурного интервала работоспособности в дорожном покрытии как в сторону положительных, так и в сторону отрицательных температур, повышения показателя эластичности битум используют в композиции с модифицирующими добавками, в качестве которых применяют полиолефины, сополимеры полиолефинов, полидиены, сополимеры полидиенов.

Улучшение свойств полимерно-битумных вяжущих реализуется только при условии гомогенности композиций.

Известен способ получения битумного вяжущего, модифицированного полиолефинами, путем предварительного приготовления концентрата смешением и гомогенизацией битума и полиолефина в соотношении 1:1 при температуре 260-310^oC до падения вязкости на 25% от максимального ее значения, затем полученный концентрат битум-полиолефин разбавляют битумом и гомогенезируют смесь в скоростном смесителе со скоростью 140-180 м/с в течение 2,5-3,5 мин при соотношении битум-концентрат 6-(10: 1). Полученное вяжущее имеет высокую степень гомогенности (см. патент РФ N 2053241, Мкл 6. C 08 L 95/00, опубл. 1996 г.).

Недостатком способа, препятствующего промышленному применению указанного процесса, является высокая температура смешения и гомогенизации композиции (260-310^oC), которая существенно превышает максимальную технологическую температуру битума, соответствующую 160^oC. Так как битум имеет низкий коэффициент теплопроводности, в производственных условиях для снижения температуры битума в битумоплавильном котле емкостью 15 м³ потребуется 6-8 час. Длительное пребывание битумно-полимерной композиции в котле при температуре выше 160^oC сопровождается процессами полимеризации и поликонденсации компонентов битума, что приводит к его интенсивному старению. Кроме того, высокомолекулярные соединения, используемые в качестве добавок, в указанных температурных условиях подвергаются процессам деструкции, в результате чего теряют свои модифицирующие свойства. Недостатком указанного способа является также высокая пожароопасность.

Известен способ получения битумного вяжущего, принятый в качестве прототипа, включающий введение при перемешивании в битум блоксополимера бутадиена и стирола, причем названный блоксополимер, взятый в количестве 0,1-22,3 мас.% предварительно смешивают при температуре 80-160^oC с 1,9-33,5 мас.% масла индустриального, после чего полученную смесь вводят при температуре 110-160^oC в 44,4-98,0 мас.% битума (см. патент РФ N 2038360, Мкл 6 C 08 L 95/00, опубл. 1995 г.).

Недостатком способа является то, что данная технология не обеспечивает достаточную гомогенность целевого продукта, в результате чего действие модифицирующей добавки блоксополимера бутадиенстирола реализуется не в полной мере. Недостатками способов является также двухступенчатость процесса, ограниченная возможность варьировать одним из трех компонентов композиции, высокая вязкость раствора блоксополимера, вызывающая технологические трудности при его транспортировании по трубопроводам и дозировании.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение степени гомогенизации битумных композиций, содержащих высокомолекулярные соединения, и как следствие расширение интервала их работоспособности, характеризуемого температурой размягчения и температурой хрупкости.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в известном способе получения битумного вяжущего для дорожных покрытий, включающем смешение и гомогенизацию битума с одним и более компонентами, одним из которых является сополимер стирола и диена при температуре 110-200^oC, согласно изобретению смешение и гомогенизацию осуществляют в режиме гидродинамической кавитации в частотном диапазоне автоколебаний 10-80 Гц в условиях рециркуляции жидкой среды.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ имеет существенные признаки, отличные от прототипа. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ источников информации, использованных для определения уровня техники, показал отсутствие источников, в которых была бы описана совокупность заявляемых отличительных от прототипа признаков. При этом совокупность отличительных признаков не является очевидной, так как не следует непосредственно из уровня техники. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень". При этом предлагаемый способ осуществим в промышленных условиях и, следовательно, является промышленно применимым.

Для осуществления предлагаемого способа используют технологическую установку, схема которой представлена на фиг. 1. Она включает битумоплавильный котел 1, насос 2, гидродинамическую камеру-смеситель 3 кавитационно-кумулятивной обработки, запорное устройство 4, трубопроводы 5, образующие рециркуляционный контур.

Способ осуществляют следующим образом. Битум, высокомолекулярный модификатор и другие необходимые ингредиенты подают в битумоплавильный котел 1. Содержимое котла 1 нагревают до температуры 110-200^oC. Затем насосом 2 жидкую среду с находящимися в ней твердыми частицами высокомолекулярного соединения перекачивают в гидродинамическую камеру-смеситель 3 для кавитационно-кумулятивной обработки. Гидродинамическая камера-смеситель (см. фиг. 2) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из входного патрубка 1, рабочей камеры, включающей конфузор 2, проточную камеру 3 и диффузор 4, вала 5, кавитационной насадки 6 и выходного патрубка 7. Кавитационная насадка закреплена на валу, который служит для перемещения вдоль оси рабочей камеры с целью создания необходимого режима кавитации. Энергия, необходимая для возбуждения кавитации подводится в гидродинамическую камеру-смеситель скоростным потоком жидкости, создаваемым насосом. Давление жидкой среды на входе в рабочую камеру должно быть не менее 0,2 МПа. При кавитационной обработке в камере 3 образуется пульсирующая суперкаверна с определенной частотной характеристикой нестационарного хвоста. В зоне замыкания суперкаверны генерируется поле кавитационных микропузырьков, количество и размеры которых определяются режимами работы. Количество пузырьков, прошедших в 1 с через 1 см² поперечного потока за каверной достигает величины 10³-10⁶. Микропузырьки, попадая в зону нормального давления, схлопываются с образованием сверхскоростных кумулятивных микроструек. При соприкосновении кумулятивной микроструйки с твердой поверхностью величина ударного давления может достигать 10³ мПа. Под воздействием ударного давления твердая частица разрушается, соответственно увеличивается удельная поверхность между твердой и жидкой фазами и интенсифицируется процесс массообмена между ними. Рециркуляцию осуществляют до получения требуемой степени однородности.

Преимущества предлагаемого способа получения битумного вяжущего по сравнению с известным способом, взятым в качестве прототипа, можно просмотреть на конкретных примерах. Для реализации способа используют дорожный битум по ГОСТ 22245-90, в качестве модифицирующих добавок - высокомолекулярные соединения, такие как блоксополимер дивинилстирола ДСТ-30 по ТУ 38.103267-80 и масло индустриальное марки И-40А по ГОСТ 28799-88 в соотношениях, приведенных ниже в таблице. Смесь битум, масло индустриальное и блоксополимер ДСТ 30-01 нагревают до температуры 110-200^oC и подвергают гидродинамической кавитационной обработке в режиме рециркуляции при частоте кавитационных автоколебаний 10-80 Гц.

Результаты испытаний приведены в таблице, где показано влияние режимов приготовления битумного вяжущего на его физико-механические показатели: температура размягчения, температура хрупкости и температурный интервал работоспособности (интервал пластичности). Данные таблицы показывают, что оптимальные режимы приготовления полимернобитумных вяжущих, опробованные в примерах 1-3, обеспечивают повышение температурного интервала работоспособности полученного вяжущего как за счет понижения температуры хрупкости, так и за счет повышения температуры размягчения.

Назначение верхнего предела температуры в интервале 200^oC обеспечивает повышение интенсивности кавитационного воздействия за счет уменьшения вязкости битума. Повышение температуры выше 200^oC несущественно влияет на вязкость битума. Кроме того, повышение температуры выше 200^oC приводит к повышению давления насыщенных паров, что приводит к снижению интенсивности кавитационного воздействия (см. таблица, пример 4). Повышение частоты кавитационных колебаний выше значения верхнего предела 80 Гц для данной жидкой среды и температурного интервала 110-200^oC технически трудно осуществить.

Изменение режимов кавитационной обработки в сторону уменьшения заявляемых параметров, то есть частоты кавитационных автоколебаний ниже 10 Гц, а температуры ниже 110^oC, вызывает снижение эрозионной активности микропузырьков в хвостовой части каверны и не оказывает существенного влияния на температуры размягчения и хрупкости полученных полимерно-битумных вяжущих по сравнению с прототипом (см. таблица, пример 5).

Таким образом, преимущество предлагаемого способа перед известным заключается в том, что получение битумных композиционных вяжущих в режиме кумулятивно-кавитационных автоколебаний интенсифицирует процесс гомогенизации, что позволяет полностью реализовать модифицирующие свойства добавок высокомолекулярных соединений, расширить температурный интервал работоспособности дорожного вяжущего за счет повышения температуры размягчения м снижения температуры хрупкости. Одностадийность процесса предотвращает старение битума и деструкцию высокомолекулярных модификаторов, снижает удельные энергозатраты при производстве полимерно-битумных вяжущих.

Камера кавитационно-кумулятивной обработки адаптирована к битумному оборудованию (насосы, битумоплавильные котлы и др.), используемому на асфальтобетонных заводах.