Битумополимерная мастика
Владельцы патента RU 2489463:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к составам битумных композиций, используемых в строительстве для гидроизоляции и герметизации элементов конструкций и сооружений. Битумополимерная мастика содержит битум, полимерную добавку, этилсиликат и минеральный наполнитель. В качестве полимерной добавки используют атактический полипропилен, в качестве наполнителя - золу-унос Красноярской ТЭЦ-2, а в качестве этилсиликата - этилсиликат-32. Соотношение компонентов следующее, в мас.%: битум - 86-40; атактический полипропилен - 2-10; этилсиликат-32 - 2-10; зола-унос Красноярской ТЭЦ-2 - остальное. Результатом является повышение теплостойкости, морозостойкости, а также уменьшение водонасыщения мастик. 6 табл., 4 пр.
Изобретение относится к составам битумных композиций, используемых в строительстве для гидроизоляции и герметизации элементов конструкций и сооружений.
Известен битумополимерный состав для приклеивания рулонных материалов и гидроизоляции строительных, бетонных и металлических конструкций, включающий асфальт деасфальтизации гудрона западно-сибирской нефти или гудрон западносибирской нефти (92,5-94,0 мас.%), дивинилстирольный термоэластопласт с характеристической вязкостью более 1,0 дл/г (3,5-5,0 мас.%) и отход каталитического крекинга (1,0-3,0 мас.%) (Патент РФ №2276678 С1, дата приоритета 11.01.2005, дата публикации 20.05.2006, авторы Коробкова В.М. и др., RU).
Недостатком известного состава является низкая морозостойкость, характеризуемая температурой хрупкости по Фраасу.
Известна также битумно-каучуковая мастика, используемая в качестве кровельных материалов, для защиты металлических, бетонных и других оснований, а также для герметизации швов в дорожном строительстве, содержащая (мас.%): битум нефтяной 59,0-80,5; бромбутилкаучук или бутадиеновый каучук, или бутилкаучук, или низкомолекулярный полиэтилен 6,0-15,0; рапсовое масло или фракция Р-олефинов С20-С26, или отход производства тримеров или тетрамеров пропилена 8,0-15,0; сера 0,5-1,0; доломитовый порошок окатышей горно-обогатительных комбинатов 5,0-10,0 (Патент РФ №2285024 С1, дата приоритета 08.08.2005, дата публикации 10.10.2006, авторы Ганиева Т.Ф. и др., RU).
Недостатком указанной мастики является большое водопоглощение.
Известна битумоминеральная смесь для использования при устройстве дорожных, кровельных и гидроизоляционных покрытий, принятая в качестве прототипа, включающая битум или каменноугольную смолу, низкомолекулярный полиэтилен, машинное масло, толуол и этилсиликат при следующем соотношении компонентов, (мас.%): битум или каменноугольная смола - 10-24; низкомолекулярный полиэтилен - 0,38-1,7; машинное масло - 1,0-3,6; толуол - 2,12-6,8; этилсиликат - 0,75-1,15; минеральный наполнитель - остальное (Авторское свидетельство СССР №808440, дата приоритета 11.03.1979, дата публикации 28.02.1981, авторы Лаврега Л.Я. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является высокое водонасыщение, низкая теплостойкость и морозостойкость битумоминерального состава.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемых составов битумополимерных мастик, состоит в расширении сырьевой базы путем использования зол, образующихся при сжигании твердого топлива, для получения мастик с улучшенными физико-механическими свойствами на основе новых составов смесей.
Технический результат, получаемый при реализации битумополимерных мастик предлагаемых составов, состоит в повышении теплостойкости, морозостойкости, а также в уменьшении водонасыщения мастик.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата битумополимерная мастика, содержащая битум, полимерную добавку, этилсиликат и минеральный наполнитель, согласно изобретению, в качестве полимерной добавки содержит атактический полипропилен, в качестве наполнителя - золу-унос Красноярской ТЭЦ-2, а этилсиликат - 32 при следующем соотношении компонентов, (мас.%): битум - 86-40; атактический полипропилен - 2-10; этилсиликат - 32 - 2-10; зола-унос Красноярской ТЭЦ-2 - остальное.
На достижение технического результата оказывают влияние свойства исходных материалов.
Для приготовления мастики в качестве вяжущего использовался дорожный битум Ачинского НПЗ марки БНД 60/90. В таблице 1 приведены свойства указанного битума в сравнении с требованиями ГОСТ 22245-90 «Битумы дорожные вязкие. Технические условия».
| Таблица 1 | ||
| Наименование показателей | Свойства битума | Требования ГОСТ |
| 1. Температура размягчения по «КиШ», °С | 48 | не ниже 47 |
| 2. Глубина проникания иглы, мм·10-1 | ||
| при 25°С | 64,3 | 61-90 |
| при 0°С | 29,3 | не менее 20 |
| 3. Растяжимость, см при 25°С | больше 1 м | не менее 50 |
| при 0°С | 7,5 | не менее 3,5 |
| 4. Водопоглощение под вакуумом, % | 0,45 | - |
| 5. Температура хрупкости по Фраасу, °С | -20 | не выше - 15 |
Как видно из таблицы 1, битум по всем показателям отвечает требованиям ГОСТ 22245-90.
Для повышения теплостойкости, морозостойкости и снижения водонасыщения мастика, согласно изобретению содержит этилсиликат-32 (ЭТС-32) по ТУ 2435-397-05763441-2003. Согласно указанных ТУ этилсиликат-32 - прозрачная, маловязкая жидкость, представляющая собой сложную смесь олигоэтоксисилоксанов с разной степенью конденсации. Этилсиликат-32 обладает повышенной термостойкостью и может использоваться при температурах от -50 до +60°С. Этилсиликаты классифицируются в зависимости от содержания SiO2 на этилсиликат-32, этилсиликат-40 и этилсиликат-50. Исследования показали, что лучшей совместимостью с битумом обладает этилсиликат-32, который содержит меньшее количество полимерных алкоксиланов и с меньшей молекулярной массой, то есть является более жидким по сравнению с этилсиликатом-40 и этилсиликатом-50. Поэтому технология приготовления битумоэтилсиликатных вяжущих с этилсиликатом-32 будет более простая, чем с этилсиликатом-40 и этилсиликатом-50, то есть температура и время перемешивания битума с этилсиликатом-32 будут меньше, чем с этилсиликатами других марок. При использовании этилсиликата-32 получаются более однородные, а значит и более плотные составы мастик, что приводит к более результативному снижению их водонасыщения по сравнению с использованием этилсиликатов других марок. Этилсиликат-32 является эффективной универсальной добавкой, улучшающей деформативную способность при отрицательных температурах, водостойкость и прочность сцепления с бетонной поверхностью битумных мастик. Этилсиликат-32 в битуме выполняет двойную роль: одновременно является пластифицирующей и структурирующей добавкой. При приготовлении композиций этилсиликат-32 в битуме находится в жидком состоянии, растворяется в маслах битума, увеличивая содержание морозостойкой части битума, то есть выполняет роль пластифицирующей добавки. За счет этого возможно снизить температуры приготовления и укладки битумополимерных мастик. Затем происходит его гидролиз в битуме с образованием полимерных гелевых продуктов, структурирующих битум. Таким образом, в битуме образуется дополнительная эластичная сетка из гелевых полимерных продуктов гидролиза, что будет способствовать повышению теплостойкости, водостойкости и морозостойкости битумополимерных композиций.
Свойства этилсиликата-32 приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |
| Свойства этилсиликата-32 | |
| Наименование показателей | Свойства |
| 1. Содержание SiO2, % | 32 |
| 2. Плотность при 20°С, г/см3 | 1,05 |
| 3. Содержание фракций с температурой кипения, % до 110°С | 0,8 |
| 110-160°С | 1,0 |
| 160-180°С | 51 |
| 4. Температура самовоспламенения, °С | 180 |
| 5. Температура замерзания, °С, ниже | -60 |
Однако следует отметить, что продукты гидролиза этилсиликата-32 обладают недостаточной при эксплуатации в районах Сибири морозостойкостью. Поэтому кроме этилсиликата-32 необходимо вводить в битумные композиции полимеры.
В качестве полимерной добавки выбран атактический полипропилен (АПП), который является побочным продуктом при получении полипропилена, и поэтому стоимость его намного ниже, чем других полимеров. АПП обладает повышенной теплостойкостью, водостойкостью и деформативной способностью при отрицательных температурах. В связи с этим он будет повышать эластичность при отрицательных температурах, теплостойкость и уменьшать водопоглощение мастик. Поэтому введение АПП будет усиливать действие этилсиликата-32 при повышении теплостойкости, морозостойкости и снижения водопоглощения мастик.
Атактический полипропилен по ТУ 2211-022-02069318-04 представляет собой каучукоподобное вещество аморфной структуры. Свойства АПП приведены в таблице 3.
| Таблица 3 | |
| Свойства атактического полипропилена | |
| Наименование показателей | Свойства |
| 1. Внешний вид | Аморфное вещество светло-серого цвета |
| 2. Содержание летучих, % | 3 |
| 3. Массовая доля золы, % | 3 |
| 4. Содержание изотактических фракций, % | 40 |
| 5. Температур каплепадения, °С | 130 |
| 6. Глубина проникания иглы при температуре 25°С и нагружении 100 г, мм·10-1 | 60 |
| 7. Точка плавления, °С | 120 |
| 8. Вязкость при температуре 180°С, СПз | 10000 |
В качестве минерального наполнителя в мастиках использовалась зола-унос Красноярской ТЭЦ-2, характеризующаяся низкой водопотребностью и представляющая собой тонкодисперсный порошок серого цвета, полученный от сгорания измельченных бурых углей Ирша-Бородинского разреза. Данные по технологическим свойствам золы приведены в таблице 4.
| Таблица 4 | |||||
| Технологические свойства золы-унос | |||||
| Насыпная плотность, г/см3 | Истинная плотность, г/см3 | Остаток на сите 008, % | Водопотребность, % | Начало схватывания, мин. | Конец схватывания, мин. |
| 1,1 | 2,34 | 9,8 | 22,34 | 20 | 54 |
Из таблицы 4 видно, что зола-унос является высокодисперсным материалом и может применяться в качестве минерального порошка в мастиках.
Работы по приготовлению мастики включают следующие операции:
- подготовка битума;
- приготовление битумополимерного вяжущего;
- подготовка минеральных наполнителей;
- приготовление битумополимерных мастик путем дозирования ингредиентов и их смешения.
Подготовка битума заключается в его расплавлении, обезвоживании путем прогрева при температуре 100-110°С до прекращения выделения пены и нагреве до рабочей температуры 150-160°С. Так как этилсиликат-32 связывает воду, оставшуюся в битуме, то процесс выпаривания можно сократить.
Приготовление битумополимерного вяжущего заключается в перемешивании разогретого до рабочей температуры битума с атактическим полипропиленом в течение 20-25 мин. Затем полученную смесь охлаждают до температуры 100-110°С и при непрерывном перемешивании вливают этилсиликат-32. Прогрев смеси после введения всего количества этилсиликата допускается не более 15-20 мин.
Подготовка золы включает ее сушку, просеивание для удаления посторонних предметов, комков и зерен крупнее 3 мм и нагрев до температуры 120-130°С.
Приготовление битумополимерной мастики проводится при последовательном дозировании битумополимерного вяжущего и золы и перемешивания их в мешалке при температуре 100-120°С в течение 15-20 мин. В связи с тем что температура приготовления известных битумополимерных мастик составляет 150-160°С, введение этилсиликата-32 приводит к сокращению энергозатрат, т.е. к снижению за счет этого стоимости мастик. Составы и свойства приготовленных образцов мастик приведены в таблицах 5 и 6.
| Таблица 5 | ||||
| Составы битумополимерных мастик | ||||
| Наименование компонентов | Содержание составов, мас.% | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Битум | 86 | 74 | 50 | 40 |
| Атактический полипропилен | 2 | 10 | 2 | 10 |
| Этилсиликат-32 | 2 | 6 | 8 | 10 |
| Зола-унос | остальное | остальное | остальное | остальное |
| Таблица 6 | |||||
| Свойства битумополимерных мастик | |||||
| Свойства мастик | Состав №1 | Состав №2 | Состав №3 | Состав №4 | прототип |
| Температура размягчения по методу «Кольцо и шар», °С | 54,5 | 53,0 | 65,0 | 64,0 | 40-51 |
| Водонасыщение, % мас. | 0,1 | 0,5 | 0,3 | 0,4 | 0,9-2,0 |
| Температура хрупкости по Фрааса, °С | -22,2 | -29,0 | -27,0 | -36,7 | -15--27 |
Как видно из таблицы 6, температура размягчения, которая характеризует теплостойкость, и температура хрупкости, которая характеризует морозостойкость, имеют большие значения, а водонасыщение меньше у предлагаемых составов битумополимерных мастик, чем у известных составов (по прототипу).
Битумополимерная мастика, содержащая битум, полимерную добавку, этилсиликат и минеральный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве полимерной добавки содержит атактический полипропилен, в качестве наполнителя - золу-унос Красноярской ТЭЦ-2, а в качестве этилсиликата - этилсиликат-32 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| битум | 86-40 |
| атактический полипропилен | 2-10 |
| этилсиликат-32 | 2-10 |
| зола-унос Красноярской ТЭЦ-2 | остальное |
