Способ получения комплексной битум-полимерной композиции

Использование: изобретение относится к области дорожно-строительных материалов. Сущность: проводят введение измельченного полимера и раствора каучука в вяжущее - битум при нагревании до рабочей температуры и перемешивании. В качестве полимера используют отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин, охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 масс.% от вяжущего. Раствор полибутадиенового каучука в качестве пластификатора используют в количестве 1,6-1,9 масс.% от вяжущего. Технический результат: повышение эксплуатационных характеристик композиции. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, а именно к способам создания битум-полимерных композиций с высокой адгезией к минеральным материалам асфальтобетонных смесей, повышенной морозостойкостью и сдвигоустойчивостью, которые могут быть использованы в дорожном и аэродромном строительстве.

Известен способ получения вяжущего для дорожного строительства (RU №2128632, кл. С 04 В 26/26, C 08 L 95/00, 1999.04.10), включающий введение измельченного полимера - полистирола в вяжущее в виде измельченного продукта при нагревании до рабочей температуры и перемешивании. При этом полистирол, измельченный до 0,01-1,0 мм, предварительно опудривают минеральным порошком и вводят в разогретое до рабочей температуры 120-140°С битумное вяжущее, перемешивание осуществляют в течение 3-10 мин при следующем содержании компонентов, мас.%:

Битумное вяжущее - 24,8-35,1;

Полистирол - 3,9-11,1;

Минеральный порошок - 53,8-71,3.

Недостатками известного способа являются невозможность достичь требуемой гомогенности полимерно-битумной композиции из-за применения полистирола с размером частиц 0.01-1.0 мм и, как следствие, ухудшение качества асфальтобетонного покрытия. Кроме того, композиция, полученная известным способом, имеет невысокие адгезионные, реологические свойства и низкую эластичность, а введение операции опудривания частиц полистирола минеральным порошком усложняет технологический процесс.

Известен также способ получения полимерно-битумного вяжущего (RU №2152964, кл. C 08 L 95/00, С 04 В 26/26, 2000.07.20), включающий введение в битум термоэластопласта и пластификатора при перемешивании. При этом вяжущее дополнительно содержит азотсодержащее поверхностно-активное вещество в количестве 0,5-2,0% от массы битума при следующей последовательности приготовления вяжущего: азотсодержащее поверхностно-активное вещество вводят в битум, нагретый до рабочей температуры 165-175°С, или, если оно является твердым, полутвердым или пастообразным, то его смешивают с частью пластификатора до получения жидкой смеси и в таком виде вводят в битум, затем осуществляют введение термоэластопласта в гранулированном виде с последующим перемешиванием, после чего вводят пластификатор или оставшуюся его часть и перемешивают до однородного состояния.

Недостатком этого способа является применение дорогостоящих ПАВ для повышения адгезионных свойств и облегчения процесса приготовления получаемого полимерно-битумного вяжущего, что, в свою очередь, приводит к значительному удорожанию конечного продукта, т.е. полимерно-битумной композиции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления битумной композиции для дорожного строительства (RU №2120951, C 08 L 95/00, С 08 К 5/01, C 08 L 95/00, C 08 L 23/02, C 08 L 23/16, 1998.10.27), включающей битум, этилен-пропилен(диен)овый каучук, полиолефин и пластификатор - экстракт селективной очистки масляных фракций нефти с кинематической вязкостью при 100°С 35-40 мм²/с и плотностью при 20°С 0,96-0,98 г/см² при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

- битум 70,0-97,0;

- этилен-пропилен(диен)овый каучук 0,480-11,760;

- полиолефин 0,012-2.40;

- пластификатор 1,80-24,00.

Известный способ заключается в перемешивании до однородного состояния нагретых до температуры 100°С компонентов в смесительной емкости в течение 60 мин при температуре 180°С. Готовую смесь подают в другую емкость (асфальтосмеситель Тельтомат) для смешения с нефтяным битумом марки БНД 60/90 или БНД 90/130, нагретым до 180°С, с дальнейшим перемешиванием в течение 20 мин.

Недостатком известного способа является большое количество компонентов и высокое требование к точной их дозировке в процессе производства полимерно-битумной композиции. Кроме того, используется сложное, герметично закрытое оборудование, в котором происходит перемешивание с битумом во избежание ухудшения свойств последнего при нагревании до 180°С за счет испарения легких фракций под воздействием высокой температуры и кислорода воздуха.

Задачей создания изобретения является разработка способа получения комплексной битум-полимерной композиции с высокими адгезионными и реологическими свойствами, морозостойкостью и температурой размягчения, а также обладающей хорошей эластичностью, с одновременно упрощенной и доступной технологией ее приготовления. Кроме того, одной из задач создания изобретения является утилизация отходов производства полиэтилентерефталата, использованных емкостей для хранения напитков и промышленных отходов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления битум-полимерной композиции, включающем введение измельченного полимера в вяжущее при нагревании до рабочей температуры и перемешивании, согласно изобретения, в качестве полимера использовали отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин, охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 мас.% от вяжущего. При этом в качестве отходов полиэтилентерефталата применяют использованные емкости для хранения напитков и/или бракованный производственный гранулят. Охлаждение расплава полиэтилентерефталата проводят в течение 10-15 минут в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета. Твердый расплав высушивают в термошкафу при температуре 75-100°С в течение 30-45 минут, после чего его измельчают на шаровой, конусной или центробежной мельнице и разделяют на фракции. Введение полимера в вяжущее производят при рабочей температуре вяжущего, при этом перемешивание ведут в течение 15-60 минут.

Нижний предел температурного интервала - 260°С обусловлен началом плавления твердого полимера, а при температуре свыше 280°С в расплаве начинаются процессы термической деструкции. Полное превращение в жидкую фазу наступает не менее чем через 15-20 мин, поэтому уменьшение времени нагрева не обеспечивает полного расплавления, а увеличение времени - нецелесообразно. Расплав представляет собой бесцветную вязкую жидкость. Температурный интервал проведения термической деструкции, от 295 до 315°С обусловлен тем, что только при температуре 295°С начинает протекать процесс термодеструкции, а превышение температуры свыше 315°С - нецелесообразно ввиду резкого ухудшения свойств полиэтилентерефталата. Повышение температур 295-315°С в течение 25-35 мин не вызывает резкого ухудшения свойств полиэтилентерефталата, а превышение времени повышения температуры неэффективно ввиду экономии энергетических и временных затрат. Выдерживание расплава при температуре 295-315°С в течение 30-35 мин позволяет достичь требуемого количества функциональных групп в полимере, превышение временного предела выдерживания отрицательно отражается на свойствах полиэтилентерефталата.

Для предотвращения кристаллизации полимера при охлаждении, что будет проявляться в виде образования трудноизмельчаемой фазы, охлаждение полиэтилентерефталата проводили в течение 10-15 минут (указанное время достаточно для полного охлаждения расплава) в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета. Сушку расплава в термошкафу при температуре ниже 75°С неэффективно ввиду увеличения времени сушки, а повышение температуры больше 100°С - неэффективно ввиду экономии тепловой энергии нагрева. Временной интервал сушки расплава в течение 30-45 минут обеспечивает более качественную сушку до постоянной массы.

Введение порошка полиэтилентерефталата менее 1,0 мас.% от вяжущего не приводит к видимым улучшениям свойств композиции, а превышение предела в 5,0 мас.% от вяжущего - экономически неэффективно ввиду сохранения технологических показателей на достаточно постоянном уровне.

Порошок с размером частиц от 0,001 до 0,071 мм вводили в разогретый до рабочей температуры битум и перемешивали. За рабочую температуру принята температура расплавленного битума 120-160°С. Повышение температуры битума свыше 160°С приводит к ухудшению свойств из-за испарения легких фракций.

Время непрерывного перемешивания составляло от 15 до 60 минут до получения однородного состояния. Снижение времени перемешивания ниже 15 минут не приводит к необходимой гомогенности (однородности) композиции, превышение времени перемешивания свыше 60 минут неэффективно ввиду избыточных трудовых и временных затрат.

Размер частиц порошка полиэтилентерефталата влияет на гомогенность получаемой композиции, при этом при уменьшении размера частицы меньше чем 0,001 мм усложняется само получение порошка, а при увеличении размера частиц больше чем 0,071 мм возможно его оседание на рабочих органах перемешивающих устройств. Выбранный диапазон размера частиц полимера позволяет достичь заявленных результатов.

Однородность определяли визуально с помощью стеклянной палочки, которую погружали в горячее ПБВ. Смесь считалась однородной, если после извлечения палочки из ПВБ смесь битума с полимером стекла с палочки равномерно. Комочки или заметные крупинки на поверхности палочки указывали на недостаточную однородность смеси.

Необходимость визуальной однородности смеси обусловлена стандартом на полимерно-битумные вяжущие ОСТ 218.010-98 Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа СБС.

При добавлении измельченного в порошок продукта переработки полиэтилентерефталата и полибутадиенового каучука к битуму наблюдается рост температуры размягчения, что свидетельствует о повышении теплостойкости модифицированного битума и позволяет снизить вероятность образования колей, волн и сдвигов на автодорожных покрытых при высоких летних температурах. Кроме того, введение порошка переработки полиэтилентерефталата в состав битумного вяжущего положительным образом сказывается на его адгезионных свойствах и значительно повышает их, что позволяет прогнозировать повышение водостойкости и асфальтобетонных покрытий при их эксплуатации. Кроме того, наблюдается повышение однородности получаемого вяжущего, без изменения технологии приготовления асфальтобетонных смесей на основе получаемого полимерно-битумного вяжущего, и появляются высокие показатели эластичности, не наблюдаемые у нефтяных битумов.

Способ приготовления битум-полимерной композиции осуществляется следующим образом. Полимер - отходы полиэтилентерефталата - использованные емкости для хранения напитков подвергли плавлению при 270°С. Гомогенизация наступила примерно через 15 мин, расплав представлял собой бесцветную вязкую жидкость.

Температуру расплава повышали до 300°С в течение 25 мин и выдерживали на воздухе в течение 30 минут.

Охлаждение полиэтилентерефталата проводили в течение 10 минут в охлаждающей воде с температурой 20°С до получения твердого расплава кремового цвета. Расплав высушивали в термошкафу при температуре 100°С в течение 40 минут до получения сухого полимера.

Полученный расплав предварительно измельчали на крупные куски и высушивали. Затем проводили измельчение при помощи центробежной мельницы. Измельченный полимер рассеивали на фракции на вибросите. Для приготовления использовали фракцию с дисперсностью от 0,001 до 0,071 мм.

Порошок с размером частиц от 0,001 до 0,071 мм в количестве 4 мас.% от вяжущего вводили в разогретый до температуры 130°С битум и перемешивали. Время непрерывного перемешивания составляло 20 мин до получения однородного состояния.

Одновременно готовили раствор каучука в масле (отходы минерального автомобильного масла), при этом в масло в количестве 1,3 мас.% от вяжущего, разогретое до 120°С, каучук вводили в виде мелкой крошки в количестве 0,3 мас.% от вяжущего с размером частиц 1,0-3,0 мм и одновременно перемешивали до достижения гомогенного раствора в течении 1,5 часа.

Введение раствора каучука производили в разогретый до рабочей температуры битум с введенной добавкой полиэтилентерефталата, а перемешивание всей композиции производили в течении 2 часов. Заданного времени перемешивания было достаточно для достижения необходимой однородности комплексной композиции.

Результаты исследований комплексной битум-полимерной композиции приведены в таблицах 1 и 2, где даны свойства полимерно-битумного вяжущего, модифицированного отходами переработанного полиэтилентерефталата и раствором полибутадиенового каучука.

Способ приготовления битум-полимерной композиции осуществлялся экспериментально-опытным путем в лабораторных условиях. Указанный способ может быть реализован на нефтеперерабатывающих предприятиях, битумных базах и асфальтобетонных заводах, где для приготовления битум-полимерной композиции могут быть использована мешалка лопастного типа либо мощная коллоидная мельница, что, в свою очередь, позволит снизить время перемешивания до 20-30 мин. Способ может быть осуществлен с применением стандартного оборудования при включении перемешивающего устройства и дозатора полимера в битум.

Таблица 2. Свойства битум-полимерной композиции, модифицированной отходами переработанного полиэтилентерефталата и раствором полибутадиенового каучука.
Наименование показателей	Битум исходный БНД 40/60	Полимерно-битумное вяжущее с содержанием 1,6 масс.% раствора каучука от вяжущего и порошка полимера в количестве, масс.%
4	5
2. Глубина проникания иглы, 0,1 мм
при 25°С	53	50	48
при 0°С	18	18	17
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С	46	52	53
3. Растяжимость, см при
при 25°С	70	36,9	36,0
0°С	4,1	3,6	3,8
4. Сцепление с мрамором или песком (адгезия)	Выдерживает по образцу №3 (отслоение битумной пленки более чем на 3/4 площади покрытия)	Выдерживает по образцу №1 (отслоение битумной пленки менее 1/4 площади покрытия)
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С	3,0	2,0	2,0.
6. Однородность	-	Однородно
7. Температура хрупкости, °С	-12	-36	-36,5
8. Эластичность при температуре +25°С	-	90	92

1. Способ получения комплексной битум-полимерной композиции, включающий введение измельченного полимера и раствора полибутадиенового каучука в битум при нагревании до рабочей температуры и перемешивании, отличающийся тем, что в качестве полимера используют отходы полиэтилентерефталата, предварительно подвергнутые термической деструкции при температуре 265-280°С в течение 15-20 мин с последующей выдержкой расплава при температуре 295-315°С в течение 25-35 мин и дальнейшим охлаждением, сушкой и измельчением твердого расплава до получения порошка с размером частиц 0,001-0,071 мм с дальнейшим его введением в вяжущее в количестве 1,0-5,0 мас.% от вяжущего, а раствор полибутадиенового каучука в качестве пластификатора используют в количестве 1,6-1,9 мас.% от вяжущего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходов полиэтилентерефталата применяют использованные емкости для хранения напитков и/или бракованный производственный гранулят.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, в качестве пластификатора используют отходы минеральных автомобильных масел.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение полиэтилентерефталата проводят в течение 10-15 мин в охлаждающей воде с температурой 17-22°С до получения твердого расплава кремового цвета.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что твердый расплав высушивают при температуре 75-100°С в течение 30-45 мин.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что высушенный твердый расплав измельчают на шаровой, конусной или центробежной мельнице, после чего разделяют на фракции.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение полимера в вяжущее производят при рабочей температуре вяжущего, а перемешивание ведут в течение 15-60 мин.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что полибутадиеновый каучук в количестве 0,3-0,4 мас.% от вяжущего вводят в разогретое до 120-140°С минеральное автомобильное масло в количестве 1,3-1,5 мас.% от вяжущего в виде мелкой крошки с размером частиц 1,0-5,0 мм с одновременным перемешиванием до достижения набухания каучука и получения гомогенного раствора в течение 1-2 ч.