Битумно-полимерная мастика и способ ее получения

Группа изобретений относится к области композиционных строительных материалов, которые могут быть использованы для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений. Битумно-полимерная мастика содержит, мас.%: дивинилстирольный термоэластопласт 3,0-12,0; пластификатор 1,0-50,0; антиоксидант - 0,05-5,0, наполнитель 3,0-50 и битум - до 100. Способ получения мастики включает стадии и режимы стадий смешения исходных компонентов мастики. Технический результат: получение мастики со стабильными высокими эксплуатационными свойствами и сокращение времени ее получения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Группа изобретений относится к области композиционных строительных материалов, а именно к способам получения и составам битумно-полимерных мастик, которые могут быть использованы для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений.

Известна битумно-полимерная мастика состава, мас.%: битум 72-85; ДСТ-30 5-8 и фосфогипс полугидрат 10-20 и способ ее получения, включающий подачу в турбосмеситель низкомарочного битума, его нагрев и введение в него при постоянном перемешивании тонкодисперсного наполнителя - фосфогипса полугидрата - отхода производства фосфорной кислоты и полимерной добавки - дивинилстирольного термоэластопласта (RU, патент №2016019, C 08 L 95/00, 1994 г.).

Недостатком этой мастики является ее жесткость, что ограничивает область ее применения, в частности, для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных дорожных покрытиях необходимо ее нагревание до 180°С, что вызывает термодеструкцию битума и полимера и ухудшает эксплуатационные характеристики мастики, особенно ее низкотемпературные свойства.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенной мастике является мастика битумно-полимерная «Транскор», состав которой включает дорожный вязкий битум - 70-90 мас.%, дивинилстирольный термоэластопласт - 0,5-12 мас.%, пластификатор - 0,5-7,5 мас.%, каучук - 1-7 мас.%, наполнитель - 1,5-12 мас.% (RU, патент №2192579, F 16 L 58/12, 2002 г.)

Недостатком известной мастики является ограниченность ее применения для нанесения в качестве изоляционного антикоррозийного покрытия трубопроводов, для полимерного рулонного материала.

Основным компонентом предлагаемой битумно-полимерной мастики является битум, имеющий различные качественные характеристики даже в пределах одной конкретной марки битума, что усложняет подбор качественных и количественных характеристик остальных компонентов мастики, а также последовательности и режимов их перемешивания.

Технический результат от использования предложенной битумно-полимерной мастики заключается в расширении ее функциональных возможностей за счет улучшения эксплуатационных свойств.

Технический результат достигается за счет того, что битумно-полимерная мастика, содержащая битум, дивинилстирольный термоэластопласт, пластификатор и наполнитель, дополнительно содержит антиоксидант при следующем соотношении компонентов, мас.%:

дивинилстирольный термоэластопласт	3,0-12,0
пластификатор	1,0-50,0
антиоксидант	0,05-5,0
наполнитель	3,0-50
битум	до 100,

при этом в качестве антиоксиданта предпочтительно использовать полиэтилсилоксановую жидкость.

Известен способ получения битумно-полимерной мастики, согласно которому в турбосмеситель подают низкомарочный битум, нагревают его до температуры 160-180°С, вводят при постоянном перемешивании часть тонкодисперсного наполнителя - фосфогипса тригидрата, затем в полученную смесь вводят первую порцию бутадиен-стирольного термоэластопласта до получения смеси с соотношением: битум: полимерная добавка: наполнитель = 1:0,002:0,028, после чего в течение 5-10 мин равными частями загружают остальную часть полимерной добавки до получения смеси с соотношением: битум: полимерная добавка: наполнитель = 1:0,058-0,110:0,028, смесь перемешивают в течение 40-60 мин, после чего вводят оставшееся количество наполнителя в течение 4-8 мин, после чего осуществляют окончательное перемешивание в течение 10-30 мин до полной гомогенизации композиции при соотношении компонентов, мас.%: битум - 72-85, ДСТ-30 - 5-8, фосфогипс полугидрат - 10-20. (RU, патент №2016019, C 08 L 95/00, 1994 г.).

Недостатком этого способа является отсутствие возможности контролировать полноту диспергирования полимера, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик полученной битумно-полимерной мастики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному способу является способ получения битумно-полимерной мастики путем смешения при нагревании термоэластопласта, пластификатора, предварительно нагретого битума и минерального наполнителя, при этом смешивают на 100 мас.ч. термоэластопласта 10-20 мас.ч. пластификатора, 70-200 мас.ч. предварительно нагретого битума, 30-250 мас.ч. минерального наполнителя и ведут перемешивание при температуре 70-100°С в течение 10-15 мин, полученную смесь гомогенизируют при температуре 130-160°С в течение 10-15 мин в шнековом экструдере, снабженном гранулирующим устройством, охлаждаемым водой, имеющей температуру 20-40°С, через которое проходит композиционная масса, затем полученные гранулы композиции сушат и упаковывают. Гранулы битумно-полимерной композиции смешивают с предварительно разогретым битумом, перемешивание ведут при температуре 160-180°С в течение одного часа до полного растворения гранул (RU, патент №2177969, C 08 L 95/00, 2002 г.)

Недостатки этого способа получения битумно-полимерной мастики заключены в необходимости двойного разогрева продукта. Чтобы расплавить гранулы необходимы либо длительное выдерживание при температуре 160-170°С, либо повышение температуры не менее чем до 180°С, что приводит к ухудшению эксплуатационных свойств мастики из-за идущей как в том, так и в другом случаях, термодеструкции полимера и битума.

Задачей способа является расширение функциональных возможностей битумно-полимерных мастик и получение продуктов с устойчивыми эксплуатационными физико-механическими характеристиками, в частности низкотемпературной деформативностью.

Технический результат заключается в сокращении времени производства мастики со стабильными высокими эксплуатационными свойствами.

Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что в способе получения битумно-полимерной мастики, включающем смешивание компонентов - предварительно нагретого битума, дивинилстирольного термоэластопласта и пластификатора, исходное количество битума делят на две части, первую часть 10-60% от исходного количества предварительно нагретого битума с температурой не ниже 90°С, смешивают с использованием высокооборотной мешалки в течение 10-30 мин, полученную смесь догревают до 110°С и вводят дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант с последующей обработкой на оборудовании с высоким напряжением сдвига при одновременном нагревании до 130-165°С, полученную битумно-полимерную смесь вводят во вторую часть 40-90% от исходного количества битума и диспергируют с использованием низкооборотной мешалки и оборудования с высоким напряжением сдвига до получения однородной массы, затем вводят наполнитель и при работающей мешалке смесь подают на оборудование с высоким напряжением сдвига.

Способ получения битумно-полимерной мастики осуществляют следующим образом.

Для приготовления битумно-полимерной мастики используют:

- в качестве битума - различные марки битумов, например битумы нефтяные дорожные вязкие марок БНД 60/90; БНД 40/60; БНД 90/130 - ГОСТ 22245-90; битумы нефтяные кровельные БНК 45/190 по ГОСТ 9548-74; битумы нефтяные изоляционные БНИ IV по ГОСТ 9812-74;

- в качестве дивинилстирольного термоэластопласта - полимер линейного строения - ДСТ-30-01 по ТУ 38.103267-80 или разветвленного строения - ДСТ-30Р-01 по ТУ 38.40327-98, а также полимеры импортного производства типа SBS (СБС) с соотношением стирол/бутадиен 30/70 и средним молекулярным весом MW 230000 (см. патент 2103290) и пр.;

- в качестве пластификатора - индустриальное масло марки И-20А, И-30А, И-40А по ГОСТ 20799-88, вакуумный газойль низкозастывающий по ТУ 38.401-58-62-93, масло-мягчитель нафтопласт по ТУ 38.101936-83 или сырье для производства вязких дорожных битумов по ТУ 38.101582-75 с изм.1-6;

- в качестве антиоксиданта - полиэтилсилоксановую жидкость ПЭС-3 или ПЭС-5 по ГОСТ 13004-77 «Жидкости кремнийорганические ПЭС -1,2,3,4,5», или агидол-1 технический (торговое название - ионол) по ТУ 38.5901237 с изм.1, 2;

- в качестве наполнителей - тальк по ГОСТ 19729-74, мел марки МТД по ТУ 21-РФ-763-92, порошок минеральный для асфальто-бетонных смесей по ГОСТ 12784-78, доломит по ГОСТ 23672-79, а также дробленую крошку РД-05 по ТУ 38-108-03597 или их смеси.

Исходное количество битума делят на две части и помещают в два реактора: 10-60% битума помещают в первый реактор, а остальное количество - во второй. В первом реакторе с обогревающей рубашкой и высокооборотной мешалкой битум нагревают до температуры не ниже 90°С и вводят пластификатор (например, вакуум-газойль) при скорости вращения мешалки 150-300 об/мин в течение 10-30 мин, после чего, полученную смесь догревают до 110°С, вводят в нее дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант, нагревают до 130-165°С и перекачивают во второй реактор, содержащий остальное количество исходного битума и снабженный медленной мешалкой, путем пропускания через оборудование с высоким напряжением сдвига, например, коллоидную мельницу. Введение антиоксиданта одновременно с дивинилстирольным термоэластопластом позволяет повысить процесс стабилизации битумно-полимерной мастикии, за счет снижения термоокислительной деструкции битума и блоксополимера Предпочтительно в качестве антиоксиданта использовать полиэтилсилоксан (ПЭС), поскольку он экологически безопасен и при работе с разогретой до 130-165°С битумно-полимерной смесью или горячей асфальтобетонной смесью он не выделяет опасных для здоровья человека продуктов. Во втором реакторе смесь диспергируют перемешиванием низкооборотной мешалкой со скоростью вращения 40-150 об/мин и оборудованием с высоким напряжением сдвига до получения однородной массы, а затем производят отбор пробы на однородность. В полученную битумно-полимерную композицию вводят наполнитель и при работающей медленной мешалке смесь подают на оборудование с высоким напряжением сдвига.

Авторам не известны состав и способ получения битумно-полимерной мастики аналогичные предложенным, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенных решений критерию «новизна».

Битумно-полимерные мастики испытывают в соответствии с ГОСТ Р 52056-2003.

Пример 1. В реактор объемом 10 куб.м загружают 5,05 тн битума БНД 60/90 (20% от исходного количества битума) при температуре 100°С, при включенных обогреве и мешалке загружают пластификатор - индустриальное масло - И-30 А в количестве 3,5 тн. Паралелльно битум в количестве 20, 22 тн (80% от исходного количества битума) загружают в реактор емкостью 40 куб.м. Смесь битума и пластификатора в реакторе объемом 10 куб.м догревают до 110°С, затем загружают дивинилстирольный термоэластопласт ДСТ-30-01 в количестве 1,05 тн и антиоксидант ПЭС-5 в количестве 0,98 тн и перемешивают в течение 15 мин со скоростью вращения мешалки 200 об/мин для равномерного распределения полимера в объеме реактора. Все процессы ведут с контролем температуры, не допуская ее повышения выше 165°С. Далее содержимое реактора емкостью 10 куб.м через оборудование с высоким напряжением сдвига (коллоидную мельницу) перегружают в реактор емкостью 40 куб.м, где диспергируют полимерно-битумную смесь в битуме, путем перемешивания низкооборотной мешалкой (со скоростью вращения 50 об/мин), а также пропускания содержимого реактора в рецикле «сам на себя» через коллоидную мельницу при температуре не выше 165°С и не ниже 130°С в течение 40 мин. После чего отбирают пробу на однородность. По достижении однородного состояния в реактор объемом 40 куб.м загружают наполнители (смесь резиновой крошки и мела) в количестве 3,5 тн и при работающей мешалке содержимое реактора пропускают в рецикле через коллоидную мельницу в течение 40 мин при температуре не выше 165°С и не ниже 130°С для равномерного распределения наполнителя в объеме реактора.

Примеры 2, 3, и 4 проводятся в условиях примера 1 и отличаются количеством и компонентами сырья.

Рецептуры полимерно-битумных мастик приведены в Таблице 1. Суммарное время смешения компонентов композиции до однородного состояния (для выпуска партии объемом около 30 тн) составляет 1 ч 35 мин, для выпуска однородной партии такого же объема в условиях прототипа, по воспроизведенным авторами данным, необходимо около 4-х час при минимальных гарантиях полноты растворения полимера. Таким образом, преимущество предложенного технического решения заключается в том числе, в сокращении времени производства больших партий продукта (свыше 5 тн).

Введение в процессе получения битумно-полимерной мастики антиоксиданта одновременно с дивинилстирольным термоэластопластом позволяет снизить термоокислительную деструкцию битума и блоксополимера, что приводит к получению битумно-полимерной мастики со стабильными эксплуатационными характеристиками, особенно низкотемпературными свойствами.

Эксплуатационные характеристики готового продукта, полученного по примерам 1-4, а также в условиях прототипа по воспроизведенным авторами данным, приведены в Таблице 2.

Таким образом, получение предложенным способом битумно-полимерной мастики заявленного состава позволяет получить высококачественный однородный продукт, который может быть использован для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений и позволяет сократить расход дорогостоящего исходного полимера, при одновременном сокращении времени получения битумно-полимерной мастики.

Таблица 1 Рецептуры полимерно-битумной мастики.
№	Компоненты	Количество, мас.%
1	2	3	4
1.	БНД 60/90	72,2
2.	БНД 90/130		63,0
3.	БНК 45/190			39,95
4.	БНИIV				30,0
5.	И-30А	10,0		1,0
6.	Вакуумный газойль низкозастывающий марки Б				5,0
7.	Нафтопласт		12,0
8.	Сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов				45,0
9.	ДСТ 30р-01		7,0		12,0
10.	ДСТ 30-01	3,0		9,0
11.	ПЭС5	2,8		0,05
12.	ПЭС3		1,0		5,0
13.	Резиновая крошка	7,0		45,0	3,0
14.	Мел	5,0
15,	Тальк		17,0	5,0

Таблица 2 Эксплуатационные характеристики мастики
№ примера	Наименование характеристики
	До прогрева	После прогрева*
Т разм., °С	Гибкость на стержне., °С	Деформативность при (-20)°С, %	Т разм., °С	Гибкость на стержне, °С	Деформативность при (-20)°С, %
По прототипу	60	-22	45	66	-17	35
1.	78	-50	215	80	-50	220
2.	85	-60	300	85	-60	300
3.	88	-55	400	86	-55	390
4.	98	-40	115	100	-40	110
*прогрев производился по ГОСТ 18180 «Битумы нефтяные. Метод определения изменения массы после прогрева».

1. Битумно-полимерная мастика, содержащая битум, дивинилстирольный термоэластопласт, пластификатор и наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит антиоксидант при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дивинилстирольный термоэластопласт	3,0-12,0
Пластификатор	1,0-50,0
Антиоксидант	0,05-5,0
Наполнитель	3,0-50
Битум	до 100

2. Битумно-полимерная мастика по п.1, отличающаяся тем, что в качестве антиоксид анта используют полиэтилсилоксановую жидкость.

3. Способ получения битумно-полимерной мастики, включающий смешивание компонентов - предварительно нагретого битума, дивинилстирольного термоэластопласта, наполнителя и пластификатора, отличающийся тем, что исходное количество битума делят на две части, первую часть 10-60% от исходного количества предварительно нагретого битума с температурой не ниже 90°С смешивают с пластификатором с использованием высокооборотной мешалки в течение 10-30 мин, полученную смесь догревают до 110°С и вводят дивинилстирольный термоэластопласт и антиоксидант с последующей обработкой на оборудовании с высоким напряжением сдвига при одновременном нагревании до 130-165°С, полученную битумно-полимерную смесь вводят во вторую часть 40-90% от исходного количества битума и диспергируют с использованием низкооборотной мешалки и оборудования с высоким напряжением сдвига до получения однородной массы, затем вводят наполнитель и при работающей мешалке смесь подают на обработку на оборудование с высоким напряжением сдвига.