Битумная композиция (варианты) и способ ее получения

Битумная композиция (варианты) и способ ее получения

Реферат

Изобретение относится к способу получения битумных композиций и может найти применение в дорожном строительстве, производстве кровельных материалов и гидроизоляции.

Битум традиционно является основным вяжущим материалом при строительстве дорожного покрытия. Для улучшения физико-механических свойств последних, а именно расширения температурного интервала работоспособности дорожного покрытия, понижения хрупкости (снижение трещиностойкости и повышение эластичности) битум используют в сочетании с модифицирующими добавками, наполнителями. В качестве модифицирующих добавок используют, прежде всего, высокомолекулярные соединения, обеспечивающие способность битума к высокоэластичным деформациям.

Известно битумное вяжущее для дорожного покрытия [патент РФ №2140947; C08L 95/00, C08L 53/02; опубл. 10.11.1999 г.], которое содержит битум, блоксополимеры бутадиена или изопрена со стиролом и растворитель-пластификатор, в качестве растворителя-пластификатора содержит черный соляр битумного производства или полиалкилбензольную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 55,0-95,0, блоксополимеры бутадиена или изопрена со стиролом 0,3-18,0, растворитель-пластификатор 4,5-27,0.

Недостатком известного способа является высокая токсичность полиалкилбензольной смолы.

Известен способ получения битумного вяжущего для дорожного, аэродромного, гидротехнического и других видов строительства [патент РФ №2162476; C08L 95/00; опубл. 27.01.2001 г.]. В известном способе битумное вяжущее получают путем перемешивания битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом в виде раствора в органическом растворителе в количестве 0,1-10,0% от массы битума, отличающийся тем, что в качестве каучуксодержащего компонента используют 11-17% раствор каучука или его отходов, готовящихся постадийно. На первой стадии используют органический растворитель с температурой вспышки не ниже 62°C в количестве 1/3 от общего расчетного количества растворителя, и процесс растворения проводят при температуре не выше 20-25°C при перемешивании в течение 1 ч. На второй стадии добавляют 2/3 расчетного количества органического растворителя с температурой вспышки не более 28°C и процесс растворения проводят при 90-100°C при перемешивании в течение 10-11 ч. А затем подготовленный таким образом каучуксодержащий компонент вводят в битум.

Недостатки указанного способа получения битумного вяжущего состоят в следующем: процесс двухстадийный, а дополнительная стадия предполагает введение каучуксодержащего компонента в битум; модифицированный битум отличается недостаточной адгезией к минеральным наполнителям (выдерживает-соответствует контрольному образцу №2 по ГОСТ 11508-74). Способ применим только для битумов нефтяных дорожных жидких с температурой вспышки, определяемая в открытом тигле, не ниже 45°C.

Известно [патент РФ №2162476; C08L 95/00; опубл. 27.01.2001 г.] использование каучука марки СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК для получения дорожно-строительных материалов, но сочетание его с отходом производства полиэтиленполиамина в литературе не описано.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является битумная композиция и способ ее получения [патент РФ №2119513; C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 93/00; опубл. 27.09.1998 г.]. Битумная композиция, включает нефтяной дорожной битум, бутадиенстирольный термоэластопласт в качестве каучуксодержащего компонента и талловое масло или продукт взаимодействия талового масла и триэтаноламина в качестве адгезионной добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум	97,3-77;
Бутадиенстирольный термоэластопласт	2-16;
Указанная адгезионная добавка	0,7-7,0.

Способ получения битумной композиции осуществляется путем перемешивания битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом и адгезионной добавкой в котором в качестве битума используют нефтяной дорожный битум, каучуксодержащего компонента - бутадиенстирольный термоэластопласт, адгезионной добавки - талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66-68): (32-34). При 25-50°C бутадиенстирольный термоэластопласт перемешивают с адгезионной добавкой, затем при температуре 150-160°C термоэластопласт с адгезионной добавкой перемешивают с битумом при соотношении, мас.%: битум 97,3-77,0, бутадиенстирольный термоэластопласт 2-16, указанная адгезионная добавка 0,7-7,0. Полученный продукт охарактеризован следующим образом: глубина проникания иглы (70-120×0,1 мм), растяжимость (при 25°C - 40-51 см), температура размягчения по кольцу и шару (54-88°C), температура хрупкости по Фраасу (-25 - -65°C), сцепление с мрамором и песком (выдерживает по контрольному образцу №2), т.е. низкая адгезия.

Недостатками указанного способа получения битумной композиции являются невысокие физико-механические показатели, как относительно высокая температура хрупкости и низкая температура размягчения, а также недостаточное сцепление с песком, т.е. адгезия.

Цель изобретения - получение однородного битумной композиции, обладающего высокими физико-механическими свойствами и расширенным интервалом работоспособности материалов, а также разработка способа получения битумной композиции, благодаря которому достигается оптимальное совмещение высокомолекулярного соединения и битума марки БНД 90/130.

Поставленная цель достигается тем, что битумная композиция, включающая нефтяной дорожной битум, каучуксодержащий компонент и адгезионную добавку, содержит в качестве нефтяного дорожного битума битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК, а адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, мас.%:

по первому варианту -
Битум марки БНД 90/130	83-93,
Каучук СКС-30АРКМ-15	5-10,
Отход производства полиэтиленполиамина	2-7.
по второму варианту -
Битум марки БНД 90/130	86-95,
Каучук СКС-30АРК	3-7,
Отход производства полиэтиленполиамина	2-7.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе получения битумной композиции путем перемешивания нефтяного дорожного битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом и адгезионной добавкой в качестве нефтяного дорожного битума используют битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРКМ-15 в количестве 5-10% от массы битумной композиции или СКС-30АРК - 3-7% от массы битумной композиции, адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина (с ОАО «Каустик», г. Стерлитамак) в количестве 2-7% от массы битумной композиции, каучук марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК в процесс добавляют в виде 8-12%-ного раствора в органическом растворителе, причем в качестве органического растворителя используют углеводороды, с температурой конца кипения не выше 130°C, растворение каучука в органическом растворителе проводят при температуре 40-50°C перемешиванием в течение 5-6 часов, далее в битум вводят адгезионную добавку и раствор каучука, смесь гомогенизируют в течение 3-4 часов, постепенно повышая температуру до 160-170°C, дальнейшее перемешивание ведут до удаления 97% углеводородного растворителя, а оставшееся количество растворителя - путем продувания азотом.

Использование указанного способа позволяет получить однородное битумное вяжущее за счет эффективного растворения каучукового компонента в углеводородном растворителе и последующей гомогенизации составляющих композиции. Все это позволяет успешно провести оптимизацию как по составу композиции, так и по достигаемым физико-механическим свойствами ее.

Получение битумной композиции по предлагаемому способу путем использования в качестве сырьевых компонентов битум марки БНД 90/130, каучук марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК, отход производства полиэтиленполиамина обеспечивает высокие физико-механические и адгезионные свойства целевого продукта, отвечающие всем требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.

Битум марки БНД 90/130 характеризуется такими показателями как: глубина проникания иглы (при 25°C - 82×0.1 мм), температура размягчения по кольцу и шару (45,1°С), температура хрупкости по Фраасу (-14,0°C), растяжимость (при 25°C - >100), сцепление с минеральным материалом (выдерживает по контрольному образцу №3).

Каучук марки СКС-30АРКМ-15 характеризуется вязкостью по Муни МБ ₁₊₄ (100°C), равной 39. Оптимальное содержание каучука марки СКС-30АРКМ-15 в битумной композиции составляет от 5 до 10 мас.%. При содержании каучука более 10 мас.% несколько снижается температура размягчения и резко повышается вязкость битумной композиции и она становится резиноподобной, что затрудняет технологический процесс ее приготовления. При содержании каучука менее 5 мас.% ухудшаются физико-механические показатели полимерно-битумной композиции и ее основные показатели не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.

Каучук марки СКС-30АРК характеризуется вязкостью по Муни МБ ₁₊₄ (100°C),

равной 38. Оптимальное содержание каучука марки СКС-30АРК в битумной композиции составляет от 3 до 7 мас.%. При содержании каучука более 7 мас.% резко повышается вязкость битумной композиции, что затрудняет технологический процесс ее приготовления. При содержании каучука менее 3 мас.% ухудшаются физико-механические показатели полимерно-битумной композиции и ее основные показатели не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.

Каучуки марок СКС-30АРКМ-15 или СКС-30АРК применяются в виде 8-12% раствора; в данном интервале концентраций обеспечивается полное растворение каучука. При увеличении концентрации более 12 мас.% значительно повышается вязкость каучуксодержащего раствора, что затрудняет процесс гомогенизации, а также не обеспечивается полнота его растворения. При содержании каучука в растворе менее 8 мас.% неоправданно увеличивается расход растворителя.

Отход производства полиэтиленполиамина имеет следующий состав, мас.%: полиэтиленполиамин - 20-35, смесь карбоновых кислот - 10-20, амидоамины - 20-25, имидазолины - 30-35. Известно [патент РФ №2226203; C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 15/00; опубл. 27.03.2004 г.], что азотсодержащие вещества, в частности полиэтиленполиамин, применяются в качестве добавок, повышающих адгезионные свойства ПБВ. В этой связи в качестве адгезионной добавки был выбран отход производства полиэтиленполиамина. Введение добавки в количестве 2-7 мас.% улучшает не только адгезионные свойства, но и положительно сказываются на физико-механических параметрах битумной композиции в целом. При содержании более 7 мас.% и менее 2 мас.% физико-механические показатели недостаточно высоки (глубина проникания иглы при 25°C 143×0,1 мм и 95×0,1 мм; температура размягчения по кольцу и шару 47,6°C и 49,4°C; температура хрупкости по Фраасу -25°C и -29,3°C соответственно) полимерно-битумной композиции и не соответствуют требованиям ТУ 35.1669-88 для вяжущих марок ПБВ.

Процесс приготовления каучука в органическом растворителе проводят при температуре 40-50°C перемешиванием в течение 5-6 часов. При температуре ниже 40°C - скорость растворения каучука низка, при температуре выше 50°C - увеличиваются потери растворителя. Для получения однородного гомогенного раствора каучуксодержащего компонента оптимально вести процесс растворения в течение 5-6 часов. При уменьшении продолжительности растворения менее 5 часов каучук полностью не растворяется. Увеличение продолжительности приготовления раствора каучуксодержащего компонента приводит к лишним энергозатратам.

В качестве органического растворителя применяются углеводороды, с температурой конца кипения не более 130°C, так как каучуки СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК в них хорошо растворяется; они инертны по отношению к компонентам битумной композиции. Углеводороды с температурой конца кипения не выше 130°C выбраны в связи с тем, чтобы в последующем в процессе перемешивания битумной композиции при температуре 160-170°C обеспечить степень удаления растворителя из реакционной массы до 97%.

Физико-механические показатели битумных композиций определяют по следующим методам:

Определение глубины проникания иглы - по ГОСТ 11501-78.

Определение температуры размягчения по кольцу и шару - по ГОСТ 11506-73.

Определение температуры хрупкости по Фраасу - по ГОСТ 11507-78.

Определение растяжимости - по ГОСТ 11505-75.

Определение адгезионных свойств по сцеплению с мрамором или песком по ГОСТ 11508-74.

Данные по составу битумных композиций представлены в таблице 1, по свойствам - в таблице 2.

Изобретение иллюстрируется примером конкретного выполнения. Пример 1.

В смеситель, снабженный лопастной мешалкой, загружают 6 г каучука марки СКС-30АРКМ-15 (ТУ 38.40355-99) в виде крошки размером 2-3 мм и углеводородный растворитель в количестве 60 г, отобранный с установки вторичной перегонки бензинов, с температурой конца кипения 130°C. Приготовление раствора каучука проводят при температуре 45°C путем перемешивания в течение 6 часов. Получают 66 г 9,1%-ного раствора каучука.

В реактор, снабженный лопастной мешалкой, загружают 91 г битума марки БНД 90/130, далее в реактор вводят 66 г полученного раствора каучука и 3 г отхода производства полиэтиленполиамина. Реакционную смесь перемешивают в течение 4 часов, постепенно повышая температуру до 165°C. Дальнейшее перемешивание смеси при данной температуре ведут в течение 1 часа до удаления 97% углеводородного растворителя, который направляется на рецикл. Затем реакционную смесь продувают азотом в течение 15 мин для удаления оставшегося количества растворителя. Получают 100 г битумной композиции. Расход каучука марки СКС-30АРКМ-15 составил 6% от массы битумной композиции, а расход отхода производства полиэтиленполиамина - 3% от массы битумной композиции. Образец полученной битумной композиции подвергают стандартным испытаниям.

Целесообразность выбранных пределов технологического процесса получения битумной композиции представлена в таблице 1.

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что образцы битумных композиций имеют высокие адгезионные свойства и соответствуют контрольному образцу №1 по ГОСТ 11508-74. Показатели растяжимости и температуры размягчения по кольцу и шару битумных композиций, полученных по заявляемому техническому решению, выше, чем аналогичные показатели для композиций, полученных по прототипу. Наиболее высокие значения указанных показателей имеют полимерно-битумные композиции, содержащие каучук марок СКС-30АРКМ-15 и СКС-30АРК и отход производства полиэтиленполиамина. Использование каучука марок СКС-30АРКМ-15, СКС-30АРК является экономически выгодным при использовании их в дорожном покрытии по сравнению с ДСТ-30-01.

Таблица 1
РЕЦЕПТУРА БИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Компоненты смесей	Содержание компонентов, % от массы битумной композиции, по примерам
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10*	11*	12*	13*	14*	15 по прототипу
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
1. Битум	93	91	88	91	88	95	93	91	97	90	93	8	94	87	95
2. КаучукСКС-30АРКМ-15СКС-30АРКТермоэластопласт ДСТ-30-01	5	7	10	5	5	3	5	7	1	8	3	12	5	5	4
Адгезионная добавка- отход производства полиэтиленполиамина- продукт ТМТ	2	2	2	4	7	2	2	2	2	2	2	2	1	8	1
Итого битумная композиция	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100

Таблица 2
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Показатели	Значение показателя по примерам
1	2	3	4	5	6	7	8	9*	10*	11*	12*	13*	14*	15 по прототипу	ТУ 35.1669-88 для вяжущих ПБВ 90/130
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Глубинапроникания иглы при 25°C, 0,1 мм	106	122	129	111	130	97	115	130	90	137	92	138	95	143	80	90-130
Температура размягчения по кольцу и шару, °C	65	59	54	54	51	64	60	56	53	48	54	49	49	48	54	не ниже 50
Температура хрупкости по Фраасу, °C	-38	-35	-32	-35	-31	-37	-35	-34	-28	-30	-29	-28	-29	-25	-37	не выше -30
Растяжимость при 25°C, см	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	43	не менее 15
Сцепление с минеральным наполнителем	№1	№1	№1	№1	№1	№1	№1	№1	№1	№2	№2	№2	№1	№2	№2	выдерживают по контрольному образцу №2
* за пределами граничных условий

1. Битумная композиция, включающая нефтяной дорожный битум, каучуксодержащий компонент и адгезионную добавку, отличающаяся тем, что в качестве нефтяного дорожного битума используют битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРКМ-15, а адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум марки БНД 90/130	83-93
каучук СКС-30АРКМ-15	5-10
отход производства полиэтиленполиамина	2-7.

2. Битумная композиция, включающая нефтяной дорожный битум, каучуксодержащий компонент и адгезионную добавку, отличающаяся тем, что в качестве нефтяного дорожного битума используют битум марки БНД 90/130, каучуксодержащего компонента - каучук марки СКС-30АРК, а адгезионной добавки - отход производства полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, мас.%

битум марки БНД 90/130	86-95
каучук СКС-30АРК	3-7
отход производства полиэтиленполиамина	2-7.

3. Способ получения битумной композиции путем перемешивания нефтяного дорожного битума при нагревании с каучуксодержащим компонентом и адгезионной добавкой, отличающийся тем, что каучук вводится в битумную композицию в виде 8-12%-ного раствора в органическом растворителе, причем в качестве органического растворителя используют углеводороды с температурой конца кипения не выше 130°C, приготовление раствора каучука в органическом растворителе проводят при температуре 40-50°C перемешиванием в течение 5-6 часов, далее в битум вводят полученный раствор каучука и адгезионную добавку, смесь гомогенизируют в течение 3-4 часов, постепенно повышая температуру до 160-170°C, дальнейшее перемешивание смеси ведут до удаления 97% углеводородного растворителя, а оставшееся количество растворителя удаляют путем продувания азотом.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве углеводородов используют легкую фракцию углеводородов с установки вторичной перегонки бензина с температурой конца кипения 130°C или фракцию углеводородов с установки АВТ (атмосферная вакуумная перегонка) с температурой конца кипения 115°C.