Битумная мастика

Изобретение относится к области композиционных строительных материалов, а именно – к составам битумных мастик, которые могут быть использованы для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений. Мастика включает битум нефтяной дорожный, механоактивированный нефтяной кокс с размерами частиц до 5 мкм и полимерную добавку в виде бутилкаучука или каучука синтетического цис-изопренового, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум нефтяной дорожный – 68-78, механоактивированный нефтяной кокс – 17-25, бутилкаучук или каучук синтетический цис-изопреновый – 5-7. Техническим результатом заявленного изобретения является получение битумной мастики с высокими эксплуатационными показателями, которые обеспечивают пониженную температуру хрупкости, увеличение относительного удлинения при растяжении, повышенную температуру размягчения по КиШ, увеличение прочности при растяжении, а также сокращенное время ее приготовления при значительно невысоких температурах и сниженную себестоимость. 2 ил., 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области композиционных строительных материалов, а именно – к составам битумных мастик, которые могут быть использованы для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Механоактивация – активирование твердых веществ их механической обработкой, процесс образования более химически активного вещества [https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/mehanoaktivatsiya-materialov/], опубликовано 11.03.2019.

Битумное вяжущее – вещество, которые содержат битум в чистом или модифицированном виде [http://stroi-archive.ru/rastvory-i-betony/767-bitumnye-vyazhuschie.html], опубликовано 14.03.2016.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по авторскому свидетельству SU937494 «Битумно-резиновая мастика». Сущностью является битумно-резиновая мастика, включающая битум, резиновую крошку и наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью улучшения эластичности и повышения морозостойкости мастики, она содержит в качестве наполнителя фильтр-прессную пыль сахарных заводов, включающую, мас.%: карбонат кальция 85-95, известь в пересчете на окись кальция 1-5, белки 1-4, полисахариды 3-6, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 58-84, резиновая крошка 8-18, фильтр-прессная пыль сахарных заводов 8-24.

Недостатком известной мастики является недостаточно низкая температура хрупкости, а также повышенная температура, продолжительность ее приготовления, при которой очень старится битум и использование дорогостоящей резиновой крошки.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по авторскому свидетельству SU960209 «Мастика». Сущностью является мастика, включающая органическое вяжущее, резиновую крошку, пластификатор и наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения ее эластичности при низких температурах, она содержит в качестве органического вяжущего нефтяной гудрон, в качестве пластификатора - кубовые остатки синтетических жирных кислот и в качестве наполнителя – известь-пушонку при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

нефтяной гудрон	58-80,
резиновая крошка	8-15,
кубовые остатки синтетических
жирных кислот	8-21,
известь-пушонка	4-6.

Недостатком известного технического решения является то, что известная мастика имеет высокую температуру размягчения, недостаточно низкую температуру хрупкости и использование дорогостоящей резиновой крошки.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ № 2209219 «Резино-битумная мастика». Сущностью является резино-битумная мастика, включающая битум, резиновую крошку, пластификатор, отличающаяся тем, что в качестве битума она содержит битум БНК 90/40, в качестве пластификатора битумное сырье и дополнительно этаноламин при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум БНК 90/40 - 51,0-85,5, резиновая крошка - 7,0-15,0, битумное сырье - 7,0-30,0, этаноламин - 0,5-4,0.

Недостатком известной мастики является то, что для ее приготовления используется очень вязкий не дорожный, а кровельный битум и дорогостоящую резиновую крошку. Кроме того, известная мастика имеет высокую температуру размягчения, что требует более длительного разогрева при ее использовании, а следовательно, в большей степени будет происходить старение материала, кроме того, мастика имеет не очень низкую температуру хрупкости и невысокую эластичность.

Целью и техническим результатом заявленного технического решения является расширение арсенала известных средств указанного назначения с целью получения битумной мастики с высокими эксплуатационными показателями, которые обеспечивают:

– пониженную температуру хрупкости,

– увеличение относительного удлинения при растяжении

– повышенную температуры размягчения по КиШ,

– увеличение прочности при растяжении при минус 20 °С,

– сокращенное максимум до двух часов время ее приготовления при значительно невысоких температурах, при которых не так интенсивно протекают процессы старения битумного вяжущего,

– сниженную себестоимость в результате дешевизны нефтяного кокса в отличие от резиновой крошки, что позволяет осуществлять значительную экономию дорогостоящих полимерных материалов и значительно удешевлять модификацию вяжущего.

Сущностью заявленного технического решения является битумная мастика, включающая битум нефтяной дорожный, механоактивированный нефтяной кокс с размерами частиц до 5 мкм и полимерную добавку в виде бутилкаучука или каучука синтетического цис-изопренового, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум нефтяной дорожный	68-78
механоактивированный нефтяной кокс	17-25
бутилкаучук или каучук синтетический
цис-изопреновый	5-7.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.2.

На Фиг.1 представлена Таблица 1, в которой приведены физико-химические показатели битума БНД 70/100.

На Фиг.2 представлена Таблица 2, в которой приведены физико-механические показатели заявленной битумно-коксовой мастики.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Поставленная цель и заявленный технический результат достигается за счет того, что битумно-коксовая мастика включает в свой состав механоактивированный нефтяной кокс (вместо традиционной резиновой крошки), который (механоактивированный нефтяной кокс) обеспечивает повышение теплостойкости заявленной композиции, растяжимости и эластичности, то есть придает композиции свойства, позволяющие использовать ее в заявленном назначении, а именно – в дорожной и строительной промышленности для заливки швов и трещин

дорожных покрытий и конструкций. При этом расширяется очень узкая номенклатура дорожных битумных мастик.

Далее заявителем приведена характеристика исходных материалов.

1. Битум нефтяной дорожный по ГОСТ 33133-2014, соответствующий по своим показателям битумам дорожного назначения. Физико-химические показатели некоторых марок битумов нефтяных дорожных, использованных в Примерах 1 - 4, представлены в Таблице 1 на Фиг. 1.

2. Механоактивированный нефтяной кокс по СТО 78689379-03-2016 – тонкодисперсные отходы производства кокса – так называемой коксовой мелочи, которая не находит квалифицированного применения и требует дополнительных затрат на утилизацию. Однако такие отходы могут служить сырьем для получения ценных продуктов и топлива с высоким содержанием углерода, в частности для добавки в битумные мастики.

В результате применения механоактивации при измельчении получается активированный коксовый порошок с размерами частиц до 5 мкм, обладающий повышенной водостойкостью, адсорбционной активностью и, что очень важно, низкой себестоимостью.

3. Бутилкаучук по ГОСТ Р 54557-2011 – продукт низкотемпературной сополимеризации изобутилена и 1-5% изопрена. Бутилкаучук отличается хорошей водостойкостью и проявляет высокую устойчивость к действию многих агрессивных сред: полярных растворителей, растворов щелочей, кислот, спиртов, простых и сложных эфиров, кетонов, растительных и животных жиров, перекиси водорода и др.

4. Каучук синтетический цис-изопреновый (СКИ) по ГОСТ 14925-79 – получают методом растворной полимеризации изопрена, с содержанием цис-1,4-звеньев не менее 96%, заправлен темнеющим антиоксидантом. В отличие от натурального каучука они не обладают неприятным запахом, биологически инертны, характеризуются хорошей водостойкостью, а химическая стойкость, гистерезис и сопротивление окислению эластомерных материалов на их основы близки к натуральным каучукам.

Приготовление  битумно-коксовых мастик осуществляют следующим способом:

– в лабораторный смеситель помещают битум нефтяной дорожный, разогревают при перемешивании до 140°С,

– затем добавляют при перемешивании бутилкаучук или СКИ и механоактивированный нефтяной кокс,

– полученную смесь перемешивают в течение 1 часа при температуре 140°С, затем охлаждают при комнатной температуре.

Получают заявленную битумно-коксовая мастику.

Далее приводятся конкретные примеры выполнения заявленного технического решения.

Для экспериментальной проверки заявленной битумно-коксовой мастики были приготовлены мастики с различным содержанием компонентов в заявленных интервалах и различными марками битума нефтяного дорожного и каучука.

Пример 1. Получение битумно-коксовой мастики со следующими компонентами: битум нефтяной дорожный марки БНД 70/100 – 68%, механоактивированный нефтяной кокс – 25%, бутилкаучук – 7%

В лабораторный смеситель помещают битум нефтяной дорожный, например, марки БНД 70/100, например, 0,68 кг, разогревают при перемешивании до 140°С, например, с помощью электрической мешалки. Затем добавляют при перемешивании, например, 0,07 кг бутилкаучука и, например, 0,25 кг механоактивированного нефтяного кокса с размерами частиц до 5 мкм. Полученную смесь перемешивают в течение 1 часа при температуре 140°С, затем охлаждают при комнатной температуре. Получают 1 кг заявленной битумно-коксовой мастики.

Пример 2. Получение битумно-коксовой мастики со следующими компонентами: битум БНД нефтяной дорожный марки 130/200 – 78%, механоактивированный нефтяной кокс – 17% и бутилкаучук – 5%

В лабораторный смеситель помещают битум нефтяной дорожный, например, марки БНД 130/200, например, 0,78 кг, разогревают при перемешивании до 140°С, например, с помощью электрической мешалки. Затем добавляют при перемешивании, например, 0,05 кг бутилкаучука и, например, 0,17 кг механоактивированного нефтяного кокса с размерами частиц до 5 мкм. Полученную смесь перемешивают в течение 1 часа при температуре 140°С, затем охлаждают при комнатной температуре. Получают 1 кг заявленной битумно-коксовой мастики.

Пример 3. Получение битумно-коксовой мастики со следующими компонентами: битум нефтяной дорожный марки БНД 20/35 – 73%, механоактивированный нефтяной кокс – 21% и бутилкаучук – 6%

В лабораторный смеситель помещают битум нефтяной дорожный, например, марки БНД 20/35, например, 0,73 кг, разогревают при перемешивании до 170°С, например, с помощью электрической мешалки. Затем добавляют при перемешивании, например, 0,06 кг бутилкаучука и, например, 0,21 кг механоактивированного нефтяного кокса с размерами частиц до 5 мкм. Полученную смесь перемешивают в течение 1 часа при температуре 140°С, затем охлаждают при комнатной температуре. Получают 1 кг заявленной битумно-коксовой мастики.

Пример 4. Получение битумно-коксовой мастики со следующими компонентами: битум нефтяной дорожный марки БНД 50/70 – 68%, механоактивированный нефтяной кокс – 25%, СКИ – 7%

В лабораторный смеситель помещают битум нефтяной дорожный, например, марки БНД 50/70, например, 0,68 кг, разогревают при перемешивании до 140°С, например, с помощью электрической мешалки. Затем добавляют при перемешивании, например, 0,07 кг СКИ и, например, 0,25 кг механоактивированного нефтяного кокса с размерами частиц до 5 мкм. Полученную смесь перемешивают в течение 1 часа при температуре 140°С, затем охлаждают при комнатной температуре. Получают 1 кг заявленной битумно-коксовой мастики.

Пример 5. Испытание заявленной битумно-коксовой мастики

Заявленная битумно-коксовая мастика была испытана в соответствии с ГОСТ 32870-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Мастики битумные. Технические условия» в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации.

Результаты физико-механических показателей представлены в Таблице 2 на Фиг. 2

Как видно из Таблицы 2 на Фиг. 2, все показатели полученной битумно-коксовой мастики с заявленными компонентами и в заявленных интервалах соотношений компонентов удовлетворяют требованиям ГОСТ 32870-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Мастики битумные. Технические условия», что подтверждает достижение поставленных целей и заявленных технических результатов.

Основываясь на описанном выше, можно сделать вывод, что заявителем достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат, а именно – расширен арсенал известных средств указанного назначения путем получения битумной мастики с высокими эксплуатационными показателями на основе механоактивированного нефтяного кокса, битума БНД 70/100 и бутилкаучука, которая обеспечивает (Таблица 2 на Фиг.2):

– значительное снижение температуры хрупкости ударным методом с минус 30°С у аналога (патент РФ 2209219) до минус 48-54°С при требовании ГОСТ не выше минус 45°С,

– повышение температуры размягчения по КиШ с 88°С у аналога (патент РФ 2209219) до 92°С при требовании ГОСТ не менее 70°С,

– повышение относительного удлинения при растяжении при минус 20°С, % составляет 103-110 при требовании ГОСТ не менее 100,

– увеличение прочности при растяжении при минус 20°С с 0,53 Мпа у аналога (патент РФ 2209219) до 0,59-0,71 Мпа при требовании ГОСТ не менее 0,2 МПа,

– сокращенное максимум до двух часов время приготовления заявленной мастики при значительно невысоких температурах не выше 140°С, при которых не так интенсивно протекают процессы старения битумного вяжущего,

– сниженную себестоимость в результате дешевизны нефтяного кокса (например, 3,5 тыс. руб./тн) по сравнению с резиновой крошкой (например, 10-17 тыс. руб./тн), что позволяет осуществлять значительную экономию дорогостоящих полимерных материалов и значительно удешевлять модификацию битумного вяжущего.

Заявленная битумная мастика может быть использована для герметизации швов и трещин в бетонных и асфальтобетонных покрытиях, а также при строительстве промышленных и гражданских сооружений.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.

Битумная мастика, включающая битум нефтяной дорожный, механоактивированный нефтяной кокс с размерами частиц до 5 мкм и полимерную добавку в виде бутилкаучука или каучука синтетического цис-изопренового, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

битум нефтяной дорожный	68-78
механоактивированный нефтяной кокс	17-25
бутилкаучук или
каучук синтетический цис-изопреновый	5-7