Модификатор для улучшения технических характеристик битумных смесей, применяемых в дорожных покрытиях

 

Группа изобретений относится к модификатору для улучшения технических характеристик битумных смесей, применяемых в дорожных покрытиях, который легко диспергируется в битумных смесях в любом соотношении и способствует тому, что смесь приобретает улучшенные свойства по сравнению с традиционными битумными смесями, а также к способу получения модификатора и к битумной смеси для покрытия дорог, содержащей указанный модификатор. Модификатор включает 10 - 75 мас.% полимера, выбранного из группы, состоящей из натурального каучука, этилен-винилацетатных сополимеров, этилен-пропиленовых сополимеров, синтетических каучуков (А-В)_n или (А-В)_n-А, где n больше или равно 1, А соответствует полистирольным цепям, а В соответствует полибутадиеновым или полиизопреновым цепям, причем данные каучуки имеют линейное или разветвленное строение, имеют блочную, частично блочную или статистически блочную структуру, являются гидрированными или негидрированными, а также смесей указанных полимеров в любом соотношении; 10 - 75 мас.% фракции тяжелого масла, получающейся в результате процесса переработки нефти и выбранной из группы, включающей битум из установок вакуумной перегонки, из установок деасфальтизации или из установок легкого крекинга; дистиллятное масло умеренно средней вязкости и тяжелое дистиллятное масло средней вязкости из вакуумной установки смазочных масел; высоковязкое цилиндровое масло (брайтсток) из установки деасфальтизации; тяжелый экстракт дистиллятного масла и экстракт высоковязкого цилиндрового масла из фурфурольных установок; смеси указанных фракций в любом соотношении; 1 - 75% минерального наполнителя, выбранного из группы, состоящей из портландцемента любой марки, известняка, промышленного карбоната кальция, базальта, кварцита, летучей золы, талька и смесей указанных наполнителей в любом соотношении. Возможно включение в модификатор добавок, активирующих адгезионную способность. Также охарактеризованы способ получения модификатора и содержащая данный модификатор битумная смесь для покрытия дорог. Достигается улучшение совместимости модификатора с модифицируемым битумом и возможность введения его в битум в любом соотношении. 2 с. и 8 з.п. ф-лы.

Область изобретения Настоящее изобретение касается модификатора для улучшения технических характеристик битумных смесей, применяемых в дорожных покрытиях.

Уровень техники Как известно, потребность в битумных смесях для дорог, имеющих улучшенные технические характеристики по сравнению с традиционными смесями, привела к добавлению различных веществ к указанным смесям.

В области технологии дорожных покрытий довольно хорошо известно применение битумных смесей, в которые добавлены волокна. Обычно такими волокнами бывают асбестовые, целлюлозные, акриловые волокна и т.д. В патенте США 3864157 описано применение асбеста в дорожных покрытиях. Пример применения пластмассовых волокон имеется в "Proceedings of the Second International Rilem Conference", опубликованном E&FN Spon (1993). Подобная практика преследует двойную цель: во-первых, это - достижение улучшенной когезионной способности смеси, что позволяет получить смесь с более высоким содержанием пор, но не приводит к ее расслоению; во-вторых, это - возможность производить смеси, имеющие очень низкую вязкость и высокое содержание битума, что предотвращает быстрое старение, а также усталостное растрескивание.

Одним из главных недостатков такой практики является значительное снижение производительности предприятий, производящих битумные смеси, так как для предотвращения агломерации необходима лишь очень небольшая добавка волокна.

Другим недостатком, проистекающим из-за добавления волокон, является то, что они представляют собой гетерогенный материал по отношению к битуму и не образуют с ним совместимой мастики, и, следовательно, приходится добавлять большое количество волокна для достижения требуемого эффекта. Кроме того, во многих случаях битум не смачивает волокна в достаточной степени, так что отмечены проблемы, связанные с адгезионной способностью.

Другим альтернативным вариантом является применение различных низкоплавких полимеров, которые гомогенизируют с битумом в процессе производства смеси. Пример подобной технологии можно найти в патентной заявке ЕР 81400820. Однако, как и в случае волокон, эта практика требует большого количества полимера и длительного перемешивания. При уменьшении времени перемешивания получаются чрезвычайно гетерогенные продукты, которые трудно уплотнять.

Третьим альтернативным вариантом является применение битумов, модифицированных полимерами. Недостатком этого широко используемого варианта является необходимость в установке на предприятии по производству асфальта дополнительного резервуара для хранения, который необходимо поддерживать при высокой температуре. Для того, чтобы подобная практика была рентабельной, необходимы большие объемы модифицированного битума. Кроме этого, необходимо применять очень совместимые системы, чтобы предотвратить расслоение фаз в процессе хранения битума.

Аналогичным образом производство битумов, модифицированных полимерами, требует сложного и дорогостоящего оборудования, что является дополнительным недостатком.

Следовательно, для таких битумных смесей необходимо подобрать модификатор, который бы удовлетворительно устранял отмеченные выше недостатки в данной области техники.

Задача изобретения Задачей данного изобретения является нахождение модификатора, который легко диспергируется в битумной смеси в любом соотношении и который позволяет улучшать свойства последней по сравнению с традиционными битумными смесями.

Преимущества изобретения Одним из преимуществ модификатора в соответствии с данным изобретением является то, что он доступен и хранится в виде гранул. Другим преимуществом модификатора в соответствии с данным изобретением является то, что он легко диспергируется в битумной смеси, не требуя ни длительного времени диспергирования, ни дополнительного подогреваемого резервуара. Преимуществом модификатора в соответствии с данным изобретением также является то, что он не агломерируется в битумной смеси в процессе производства и не требует длительного времени производства.

Таким образом, модификатор, в соответствии с данным изобретением, имеет следующие преимущества: - так как модификатор находится в виде гранул и легко диспергируется в битумных смесях, он может быть добавлен в любом соотношении в соответствии с требованиями к дорожному покрытию, которое потребуется произвести в любой точке применения; - так как модификатор легко диспергируется, не требуется больших подогреваемых резервуаров для хранения, которые необходимы при использовании других модификаторов, что приводит к значительному удешевлению процесса; - применение данного продукта приводит к улучшению свойств по сравнению с другими битумными смесями.

Описание изобретения
Во-первых, в изобретении предложен модификатор, состоящий из концентрированной дисперсии полимера в фракции тяжелого масла, получающейся в результате процесса переработки нефти, в присутствии наполнителей, таких как наполнители, применяемые в процессе производства битумных смесей для дорог. Кроме этих трех основных компонентов (полимер, фракция тяжелого масла и наполнители), модификатор в соответствии с данным изобретением может содержать при необходимости другие добавки, такие как активаторы адгезионной способности. Эти компоненты смешивают в оборудовании, подобном тому, что применяют при компаундировании каучуков.

Более конкретно и в соответствии с указанным первым аспектом, в изобретении предложен модификатор для улучшения технических характеристик битумных смесей, применяемых в дорожных покрытиях, отличающийся тем, что он включает
- от 10 до 75 мас.% полимера, выбранного из группы, состоящей из природного каучука, этилен-винилацетатных сополимеров, этилен-пропиленовых сополимеров, синтетических каучуков типа (А-В)_n или (A-B)_n -А, где n больше или равно 1, А соответствует полистирольным цепям, а В соответствует полибутадиенсвым или полиизопреновым цепям, причем данные каучуки имеют линейное или разветвленное строение, имеют блочную, частично блочную или статистически блочную структуру, являются гидрированными или негидрированными. а также из смесей указанных полимеров в любом соотношении;
- от 10 до 75 мас.% фракции тяжелого масла, получающейся в результате процесса переработки нефти и выбранной из группы, состоящей из битума из установок вакуумной перегонки, из установок деасфальтизации или из установок легкого крекинга; дистиллятных масел умеренно средней вязкости и тяжелых дистиллятных масел средней вязкости из вакуумной установки смазочных масел; высоковязкого цилиндрового масла (брайтсток) из установки деасфальтизации; тяжелого экстракта и экстракта высоковязкого цилиндрового масла из фурфурольных установок; смесей указанных фракций в любом соотношении;
- от 1 до 75% минерального наполнителя, выбранного из группы, состоящей из портландцемента любой марки, известняка, промышленного карбоната кальция, базальта, кварцита, летучей золы, талька и смесей указанных наполнителей в любом соотношении;
- возможны добавки, активирующие адгезионную способность.

Что касается полимерного компонента модификатора согласно данному изобретению, его предпочтительно применять в количествах от 20 до 70 мас.%, и, как уже указывалось, этот компонент может состоять из смесей указанных полимеров.

Что касается компонента модификатора по данному изобретению, состоящего из фракции тяжелого масла, не обязательно использовать соединения в том виде, в котором они получаются в указанных установках процесса переработки нефти. Во многих случаях возможно удобно смешивать один или более компонентов. Следовательно, и с целью иллюстрации, но не с целью ограничения, асфальт, получающийся в процессе деасфальтизации, можно смешивать с экстрактом высоковязкого цилиндрового масла для получения продукта, адекватного фракции тяжелого масла.

Наполнители, применяемые в модификаторе в соответствии с данным изобретением, могут быть любыми наполнителями, применяемыми в смесях для дорог. Одной из обязательных характеристик для данных наполнителей является то, что они должны на 100% просеиваться через 0,08 мм сито UNE. В этом отношении упомянутые наполнители пригодны по отдельности или при смешивании в любом соотношении. Предпочтительно доля минерального наполнителя, применяемого в модификаторе в соответствии с данным изобретением, составляет от 5 до 70%. Было обнаружено, что если минеральный наполнитель имеет высокий процент пор, диспергирование продукта в битумной смеси происходит быстрее.

Применение наполнителя имеет два преимущества:
- он предотвращает агломерацию гранул в процессе хранения и
- между наполнителем и частью связующего вещества создается предварительная мастика.

Как уже отмечалось, кроме трех основных компонентов, модификатор в соответствии с данным изобретением может включать при необходимости улучшающие адгезионную способность добавки, подобные тем, что обычно добавляют к битуму в битумных смесях. В качестве примеров активаторов адгезионной способности можно упомянуть следующие: моноамины, диамины, триамины, амидоамины и имидазолины, разветвленные или неразветвленные, производные жирных кислот по меньшей мере с 10 атомами углерода, взятые по отдельности или смешанные в любом соотношении. В качестве неограничивающего примера можно упомянуть жирные диамины, алкильная цепь которых имеет от 16 до 18 атомов углерода, амидоамин смоляной кислоты и имидазолин смоляной кислоты. Подобным же образом могут быть применены талловое масло и канифоль. Доля этих добавок, применяемых в модификаторе в соответствии с данным изобретением, составляет от 0 до 5 мас.%.

В соответствии со вторым аспектом, в изобретении предложен способ приготовления упомянутого модификатора, включающий независимое добавление компонентов модификатора в смешивающее оборудование или приготовление вначале сухой смеси, включающей все компоненты готового модификатора или их часть. Эта сухая смесь может быть приготовлена на любом оборудовании или системе, обычно применяемых в промышленности, таких как лопастный или пропеллерный смеситель, барабанный смеситель и т.д.

Для получения готового модификатора в соответствии с данным изобретением может быть применен при подходящих условиях любой способ или система смешивания, обычно применяемые в каучуковой промышленности.

Эти процессы могут быть периодическими или непрерывными.

В качестве периодических процессов рассматриваются открытые вальцы, закрытые смесители и т.д., в которых производится смешивание ингредиентов модификатора. После чего с целью получения гранул полученную смесь обычно выгружают в экструдер, снабженный необходимой системой. В процессе смешивания добавление компонентов модификатора можно производить либо по отдельности, либо исходя из предварительно приготовленной сухой смеси, содержащей все ингредиенты в требуемой концентрации. Рабочая температура, которую следует применять для приготовления модификатора, может изменяться в зависимости от состава от 80 до 200^oС. Для процесса гранулирования продукта интервал температур, который следует использовать, может изменяться от 80 до 150^oС. Что касается времени смешивания, то здесь вполне применимы основные критерии, применяемые в производстве резиновых смесей.

В качестве непрерывных процессов рассматриваются процессы экструдирования, в которых применяют одношнековое или многошнековое оборудование, причем наиболее рекомендуемым является двухшнековое оборудование, которое благодаря своей высокой смесительной способности приводит к более гомогенному продукту. Добавление компонентов в экструдер может выполняться в соответствии со способом, описанным для смесителей периодического действия. Кроме того. добавление одного или нескольких компонентов можно также производить в любом месте экструдера, что для особых типов смесей или относительных концентраций и компонентов может приводить к усовершенствованию качества композиции или увеличению производственной мощности,
Отношение длина/диаметр (L/D) экструдера может изменяться от 15 до 40 в зависимости от того, является ли экструдер одно- или многошнековым, при этом для одношнековых экструдеров для достижения оптимального качества образца рекомендуется большая длина. В случае одношнековых экструдеров степень сжатия может быть от 1:2 до 1:5. В многошнековых экструдерах могут иметься одна или более зон сдвига, полная длина которых может изменяться от 1 до 6 диаметров в зависимости от состава и других условий смешивания. Температура, которую следует использовать в экструдере, может изменяться в пределах от 80 до 200^oС.

Для гранулирования модификатора может применяться способ охлаждения экструдата посредством водяной бани с последующей сушкой и гранулированием с помощью резака, предназначенного для мягкого материала, или, что предпочтительно, можно применять гранулятор подводного типа, с помощью которого может быть достигнуто более однородное распределение гранул по размерам.

Полученный модификатор затем добавляют к битумной смеси для дорог в процессе ее производства. Это обычно можно производить через систему добавления наполнителя или через любое другое пригодное для этой цели устройство, имеющееся на предприятии. Как температура, так и время смешивания являются обычными для получения таких смесей.

Таким образом, и в соответствии с третьим аспектом, в изобретении предложена битумная смесь для дорог, модифицированная указанным модификатором для придания битумной смеси большей когезионной способности, а также для повышения устойчивости к образованию колеи.

Процент модификатора, который следует использовать в битумной смеси в соответствии с данным изобретением, может быть различным, хотя обычным количеством, добавляемым к битумной смеси, считается такое, при котором содержание полимера в расчете на общее содержание битума в смеси составляет от 1 до 10%.

Смесь для покрытия дорог, в которую можно ввести модификатор в соответствии с данным изобретением, может быть любой из горячих битумных смесей; неограничивающими примерами могут служить плотные, полуплотные. рыхлые, дренажные или неоднородные смеси.

Для укладки и уплотнения смесей такого типа не требуется специального оборудования, вышеуказанные операции можно осуществлять посредством любого оборудованием обычного типа.

Данное изобретение можно проиллюстрировать с помощью следующих неограничивающих примеров.

Пример 1.

Сухую смесь, полученную в лопастном смесителе, добавляют в двухшнековый экструдер. Указанная сухая смесь имеет следующий состав:
- 35% стирол-бутадиенового термопластичного эластомера SBS, имеющего радиальное строение и среднемассовую молекулярную массу 255000 (Mw) при содержании стирола 30%,
- 35% экстракта легкого нефтепродукта и
- 30% портландцемента, марка СЕМ II.

Смесь готовят при температуре 100^oС и скорости шнека 75 об/м. Экструдированный продукт затем охлаждают, сушат и режут, чтобы получить гранулы.

Затем для сравнения готовят три дренажные смеси в соответствии со спецификацией Департамента Дорог и Автострад Испании. Одну из этих смесей модифицируют 8% модификатора, полученного заранее в соответствии с данным изобретением, а другую смесь - битумом, модифицированным 5% термопластического сополимера стирола и бутадиена (SBS), эквивалентного полимеру, использованному в данном примере, и в третий состав во время его приготовления добавляют 2% волокна промышленной целлюлозы, рекомендованного для подобных целей применения.

Во всех указанных примерах применялось одинаковое распределение частиц заполнителя по размерам, и окончательную долю битума в смеси доводили до 5%.

Все смеси проходили тест Cantabrian (NLT 362). Смесь, в которую был добавлен модификатор в соответствии с данным изобретением, показала 5% потерь, смесь, изготовленная с добавлением модифицированного битума, показала 18% потерь, и последняя, модифицированная волокном, показала 20% потерь.

Первые две смеси проходили циклический тест на ползучесть в следующих условиях:
Температура испытания - 40^oС
Давление - 400 кПа
Время нарастания - 0,2 с
Время отпуска - 0,8 с
После 7200 нагрузочных повторений деформация смеси, содержащей модификатор в соответствии с данным изобретением, составила 1,5%, тогда как деформация смеси с модифицированным битумом составила 2,0%.

Пример 2.

Сухую смесь, имеющую состав, указанный ниже, и полученную в лопастном смесителе, добавляют в двухшнековый экструдер:
- 35% стирол-бутадиенового термопластического эластомера SBS, имеющего радиальное строение и среднемассовую молекулярную массу 110000 (Mw) при содержании стирола 30%;
- 35% экстракта легкого нефтепродукта и
- 30% портландцемента, марка СЕМ II.

Смесь готовят при температуре 90^oС и скорости шнека 125 об/м. Экструдированный продукт охлаждают, сушат и нарезают для получения гранул.

Затем готовят три неоднородных мелкоразмолотых смеси типа F10 в соответствии со спецификацией Департамента Дорог и Автострад Испании: первую, модифицированную 5% модификатора, полученного в данном примере, вторую - модифицированную битумом, который был модифицирован 3% SBS, эквивалентного полимеру, использованному в данном примере, и третью смесь, к которой добавили 1% волокна промышленной целлюлозы, пригодного для указанного применения.

Во всех указанных примерах применяли одинаковое распределение частиц заполнителя по размерам и окончательную долю битума в смеси доводили до 5,5%.

Все три смеси проходили испытания на образование колеи, принятые в Испании (Spanish Wheel Tracking test NLT 173). Смесь, в которую был добавлен модификатор в соответствии с данным изобретением, показала скорость деформации 4 мкм/мин, смесь, приготовленная с модифицированным битумом. показала скорость деформации 8 мкм/мин, а смесь, полученная с применением волокна, показала скорость деформации 12 мкм/мин.

Формула изобретения

1. Модификатор для улучшения технических характеристик битумных смесей, применяемых в дорожных покрытиях, который является легко диспергируемым в битумных смесях в любом соотношении и способствует тому, что смесь приобретает улучшенные свойства по сравнению с традиционными битумными смесями, отличающийся тем, что он включает от 10 до 75 мас.% полимера, выбранного из группы, состоящей из натурального каучука, этилен-винилацетатных сополимеров, этиленпропиленовых сополимеров, синтетических каучуков (А-В)_n или (А-В)_n-А, где n больше или равно 1, А соответствует полистирольным цепям, а В соответствует полибутадиеновым или полиизопреновым цепям, причем данные каучуки имеют линейное или разветвленное строение, имеют блочную, частично блочную или статистически блочную структуру, являются гидрированными или негидрированными, а также смесей указанных полимеров в любом соотношении; от 10 до 75 мас.% фракции тяжелого масла, получающейся в результате процесса переработки нефти и выбранной из группы, включающей битум из установок вакуумной перегонки, из установок деасфальтизации или из установок легкого крекинга; дистиллятное масло умеренно средней вязкости и тяжелое дистиллятное масло средней вязкости из вакуумной установки смазочных масел; высоковязкое цилиндровое масло (брайтсток) из установки деасфальтизации; тяжелый экстракт дистиллятного масла и экстракт высоковязкого цилиндрового масла из фурфурольных установок, и смеси указанных фракций в любом соотношении; от 1 до 75 мас.% минерального наполнителя, выбранного из группы, состоящей из портландцемента любой марки, известняка, промышленного карбоната кальция, базальта, кварцита, летучей золы, талька и смесей указанных наполнителей в любом соотношении, возможно, добавки, активирующие адгезионную способность.

2. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что содержание полимера или смеси полимеров составляет от 20 до 70%.

3. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что содержание минерального наполнителя или смеси минеральных наполнителей составляет от 5 до 70%.

4. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что активаторы адгезионной способности выбирают из группы, состоящей из моноаминов, диаминов, триаминов, амидоаминов или имидазолинов, разветвленных или неразветвленных, полученных из жирных кислот, содержащих по меньшей мере 10 атомов углерода, взятых по отдельности или смешанных в любом соотношении, таллового масла и канифоли.

5. Модификатор по пп.1-4, отличающийся тем, что содержание активатора адгезионной способности или смеси активаторов составляет от 0 до 5%.

6. Способ получения модификатора, отвечающего пп.1-5, отличающийся тем, что он включает смешивание от 10 до 75 мас.% полимера или полимеров, от 10 до 75 мас.% фракции или фракций тяжелого масла, от 1 до 75 мас.% наполнителей и, возможно, других добавок при температуре от 80 до 200°С и гранулирование полученной смеси при температуре от 80 до 150°С.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что смешивание осуществляют на открытых вальцах, в закрытых смесителях или экструдерах как одно-, так и многошнекового типа.

8. Битумная смесь для покрытия дорог, отличающаяся тем, что включает модификатор по пп.1-5 или получена способом по пп.6 и 7.

9. Битумная смесь по п.8, отличающаяся тем, что указанный модификатор вводят в битумную смесь так, что доля полимера в расчете на общее содержание битума в смеси составляет от 1 до 10%, причем он обладает способностью к непосредственному диспергированию в смеси с помощью традиционных способов.

10. Битумная смесь по п.8 или 9, отличающаяся тем, что указанный модификатор вводят в битумные смеси горячего типа, предназначенные для покрытия дорог.