Способ получения битумного вяжущего с улучшенными вязкоупругими и адгезионными характеристиками

Авторы патента:

C09D195/00 - Составы для нанесения покрытий на основе битуминозных материалов, например асфальта, гудрона, вара

C08L95/00 - Композиции битуминозных материалов, например асфальта, гудрона, вара

Владельцы патента RU 2785849:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) (RU)

Изобретение относится к области нефтепереработки, конкретно к способу получение битумного вяжущего с улучшенными эксплуатационными свойствами. Способ включает нагревание битума, добавление к нему масла и модификатора и перемешивание полученной смеси. При этом в качестве масла применяют бионефть, полученную путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующуюся плотностью 1.12-1.21 г/мл и содержанием воды 20-45%, и нагретую до температуры 180°С, в качестве модификатора используют или гидрофобизированный диоксид кремния, или органомодифицированный монтмориллонит и после перемешивания смесь выдерживают в нагретом состоянии в течение 30-60 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанная бионефть 5-10, гидрофобизированный диоксид кремния или органомодифицированный монтмориллонит 5-30, битум - остальное. Техническим результатом изобретения является получение более высоких вязкоупругих характеристик битумного вяжущего при обычных и повышенных температурах, его более высокой когезионной прочности, а также более высокой прочности клеевых соединений, формируемых битумным вяжущим. 1 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области нефтепереработки, конкретно к способу получение битумного вяжущего с улучшенными эксплуатационными свойствами. Изобретение может быть использовано на нефтеперерабатывающих предприятиях, а также при выполнении строительных и дорожных работ.

Технический битум представляет собой остаточный продукт переработки нефти и характеризуется большим содержанием серы и высоким значением вязкости, что приводит к ограниченности его применения в отраслях народного хозяйства. Основной областью использования технического битума является строительная и дорожная промышленность, где он применяется для создания влагоотталкивающих покрытий, а также в качестве битумного вяжущего для получения дорожного полотна. Для битумных вяжущих одними из главных показателей являются низкая вязкость расплава, хорошая адгезия к наполнителю, высокая когезионная прочность и определенный комплекс вязкоупругих свойств.

Для улучшения свойств битумных вяжущих могут быть использованы различные модификаторы и наполнители, вводимые в битум для снижения его скорости старения, уменьшения склонности к колееобразованию, растрескиванию и усадке, улучшения адгезионных, прочностных и вязкоупругих характеристик.

Известен способ получения битумного вяжущего (RU №2496812, МПК C08L 95/00, опубл. 27.10.2013), которое содержит битум и полимерный компонент, состоящий из индустриального масла, наномодифицированного одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) без очистки от примесей углеродных и металлических наночастиц, и полимера. В качестве полимерного компонента используют термоэластопласт - ДСТ-30Р-01. Соотношение компонентов следующее, мас. %: ДСТ-30Р-01 - 1.1-3.4; индустриальное масло - 2.2-9.4; ОУНТ - 0.001-0.03; битум - остальное. Способ получения вяжущего включает введение при перемешивании в битум полимерного компонента. Причем до введения в битум осуществляют подготовку полимерного компонента путем смешивания ОУНТ с маслом индустриальным при температуре 100-120°С и последующим введением полимера, после чего полученную смесь при перемешивании вводят в битум при 120-160°С. Результатом является получение высокооднородного битумного вяжущего, обладающего высокими физико-механическими свойствами с одновременным сокращением расхода полимера и индустриального масла.

Недостатком способа является быстрое старение битума вследствие его совмещения с индустриальным маслом, применение дорогостоящих добавок и невысокая прочность адгезионных соединений, формируемых вяжущим.

Известен способ получения битумного вяжущего (ЕР №0458386, кл. C08L 95/00, 1972), включающий смешение 85-98 мас. % битума с 15-2 мас. % разветвленного или линейного стирольного блок-сополимера при 200-250°С в течение 15-40 минут. Полученные смеси характеризуются высокой прочностью и эластичностью. Недостатком способа является неполное совмещение битума с модификатором, в результате чего структура вяжущего негомогенна и может привести к появлению трещин на дорожных покрытиях.

Известен способ получения битумного вяжущего (см. RU 2754709, кл. МПК C10G 21/14, опубл. 06.09.2021), которое содержит битум, полимер класса термоэластопластов - блок-сополимер бутадиена и стирола (СБС) в количестве 3.15-3.5 мас. %, пластификатор, в качестве которого используют Унипласт, в количестве 1.5 мас. % и тонкодисперсную добавку, в качестве которой используют шунгит, в количестве 3-5 мас. %, где битум - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение гомогенности структуры вяжущего, улучшение его адгезии к минеральным материалам, когезии, повышение температуры размягчения, растяжимости при 25 и 0°С и эластичности, что в конечном итоге улучшает физико-механические свойства полимерасфальтобетона такие, как прочность на сжатие при 20 и 50°С, сцепление при сдвиге, трещиностойкость при низких температурах.

Недостатком способа является недостаточно высокая прочность адгезионных соединений вяжущего и его склонность к необратимым деформациям при повышенных температурах.

Известен способ получения битумного вяжущего для дорожного покрытия (см. RU 2038360, кл. C08L 95/00, опубл. 27.06.1995), который заключается в добавлении к битуму масла и модификатора, в качестве которых выступают индустриальное масло и блоксополимер алкадиена и стирола типа САС, причем смешивание модификатора с маслом осуществляют при 80-160°С и далее добавляют полученную смесь к битуму и перемешивают при следующем соотношении компонентов (мас. %):

индустриальное масло	1.9-33.3;
указанный блоксополимер	0.1 - 22.3;
битум	44.4-98.0.

Вяжущее существенно отличается в лучшую сторону от известных вяжущих по теплостойкости, эластичности и трещиностойкости и соответствует по всем параметрам требованиям, предъявляемым к вяжущим. Срок службы покрытий, полученных с применением такого вяжущего, увеличивается в 1.5-2 раза.

По совокупности признаков и конечному техническому результату известный способ может быть принят как наиболее близкий аналог - прототип.

Недостатком прототипа является недостаточно высокие адгезионные и когезионные характеристики вяжущего, а также его склонность к необратимым деформациям (ползучести) при обычных и повышенных температурах.

Задачей данного изобретения является получение битумного вяжущего, проявляющего высокие значения адгезионной и когезионной прочности, а также имеющего высокие вязкоупругие характеристики, заключающиеся в низкой склонности к необратимым деформациям при обычных и повышенных температурах. Способность вяжущего к обратимым и необратимым деформациям определяется значением его фактора потерь. Чем ниже величина фактора потерь, тем менее битумное вяжущее склонно к необратимым деформациям и тем, соответственно, лучше держит форму при воздействии статических или низкочастотных динамических нагрузок. Дорожное полотно из асфальтовой смеси, полученной на основе вяжущего с высокими вязкоупругими характеристиками, менее склонно к колееобразованию в результате воздействия низкоскоростного тяжелонагруженного дорожного трафика, и, следовательно, требует менее частой замены или ремонта, что является экономически выгодным.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения битумного вяжущего, заключающийся в нагревании битума, добавлении к нему масла и модификатора и перемешивании полученной смеси, в котором в качестве масла применяют бионефть, полученную путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующуюся плотностью 1.12-1.21 г/мл и содержанием воды 20-45%, и нагретую до температуры 180°С, в качестве модификатора используют или гидрофобизированный диоксид кремния или органомодифицированный монтмориллонит и после перемешивания смесь выдерживают в нагретом состоянии в течение 30-60 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %:

указанная бионефть	5-10;
гидрофобизированный диоксид кремния
или органомодифицированный монтмориллонит	5-30;
битум	остальное.

Бионефть, используемая по изобретению, может быть дополнительно охарактеризована содержанием в ее составе следующих соединений:

- водорастворимых (44%),

- гексанрастворимых (15.4%),

- метиленхлоридрастворимых (3.9%)

и эфирорастворимых (9.3%)

при содержании углерода (51.25% мас.) и водорода (6.49% мас).

Также используемая по изобретению бионефть отвечает следующим характеристикам:

- наименьшая ньютоновская вязкость (0.19 Па⋅с при 20°С),

- предел текучести (2.5 Па при 20°С),

- энергия активации вязкого течения (86.7 кДж/моль),

- температура плавления (-19°С),

- температура стеклования (-69°С).

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, состоит в более высоких вязкоупругих характеристиках битумного вяжущего при обычных и повышенных температурах, его более высокой когезионной прочности, а также более высокой прочности клеевых соединений, формируемых битумным вяжущим.

Бионефть, полученная путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующаяся плотностью 1.12-1.21 г/мл и со/держанием воды 20-45%, выступает в качестве масла для модификации адгезионных, когезионных и вязкоупругих свойств битумного вяжущего. Во-первых, бионефть содержит поверхностно-активные соединения, которые могут адсорбироваться на межфазной границе между модифицированным по изобретению битумом и склеиваемой поверхностью и тем самым улучшать адгезию между ними. Во-вторых, бионефть содержит реакционноспособные вещества, которые растворяются в битуме при его смешении с бионефтью и затем полимеризуются в его среде в результате выдержки смеси в нагретом состоянии. Полимеризация составляющих бионефти повышает вязкоупругие характеристики битума, делая его менее склонным к обратимым деформациям при обычной (20°С) и повышенной (60°С) температурах, а также улучшает его когезионную прочность.

Применение бионефти для модификации свойств битумного вяжущего является неочевидным, как и механизм, лежащий в основе улучшения свойств. Кроме того, в состав битумного вяжущего дополнительно вводят наночастицы или гидрофобизированного диоксида кремния или органомодифицированного монтмориллонита, которые усиливают положительное влияние бионефти на эксплуатационные свойства битумного вяжущего, приводя к еще большему росту его вязкоупругости и когезионной прочности.

Нижеперечисленные примеры иллюстрируют техническое решение. В них когезионную прочность определяют при растяжении образцов битумного вяжущего в виде лопаток с длиной 2.5 см, шириной в узкой части 4 мм и толщиной 0.4-0.9 мм со скоростью 3.8 см/мин. Прочность адгезионной связи определяют в условиях сдвига двух стальных пластин, склеенных внахлест битумным вяжущим при 180°С (размеры склеек 10 мм × 5 мм × 0.25 мм). Фактор потерь определяют при угловой частоте 10 с^-1 и температуре 20°С или 60°С на ротационном реометре Discovery ITR-2 (ТА Instruments, США) при амплитуде относительной деформации 0.1%.

Пример 1

К 90 г битума нагретого до 180°С добавляют 5 г бионефти, полученной путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующейся плотностью 1.12 г/мл и содержанием воды 45%, и 5 г гидрофобизированного диоксида кремния (ГДК), смесь перемешивают, выдерживают в нагретом состоянии в течение 30 мин и затем охлаждают с получением готового битумного вяжущего.

Значение когезионной прочности, фактора потерь при 20°С и 60°С, а также прочности адгезионной связи полученного битумного вяжущего приведены в таблице.

Пример 2

Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 1, но используют 5 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.17 г/мл и содержанием воды 35%, и 10 г гидрофобизированного диоксида кремния, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 60 мин.

Пример 3

Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 1, но используют 5 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.21 г/мл и содержанием воды 20%, и 15 г гидрофобизированного диоксида кремния, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 45 мин.

Пример 4

К 80 г битума нагретого до 180°С добавляют 10 г бионефти, полученной путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующейся плотностью 1.17 г/мл и содержанием воды 35%, и 10 г органомодифицированного монтмориллонита (ОММТ), смесь перемешивают, выдерживают в нагретом состоянии в течение 30 мин и затем охлаждают с получением готового битумного вяжущего.

Пример 5

Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 4, но используют 10 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.21 г/мл и содержанием воды 20%, и 20 г органомодифицированного монтмориллонита, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 60 мин.

Пример 6

Получение битумного вяжущего осуществляют аналогично способу, описанному в примере 4, но используют 10 г бионефти, характеризующейся плотностью 1.12 г/мл и содержанием воды 45%, и 30 г органомодифицированного монтмориллонита, а смесь перемешивают и выдерживают в нагретом состоянии в течение 45 мин.

Пример 7 (сравнительный но прототипу)

33.3 г масла индустриального подают в обезвоженный нефтяной дорожный битум, взятый в количестве 44.4 г, нагретый до 160°С, и перемешивают до однородного состояния смеси. Затем в эту смесь вводят небольшими порциями 22.3 г блоксополимера бутадиена и стирола в виде крошки размером от 2 до 5 мм, и перемешивают смесь до однородности.

Таким образом, предлагаемый по изобретению способ позволяет:

- повысить прочность адгезионной связи битумного вяжущего почти в 7 раз (Пример 3) по сравнению с примером №7 по прототипу;

- повысить когезионную прочность битумного вяжущего в 4 раза (Пример 6) по сравнению с примером №7 по прототипу;

- снизить фактор потерь на 56% при 20°С (Пример 6) по сравнению с примером №7 по прототипу;

- снизить фактор потерь на 49% при 60°С (Пример 5) по сравнению с примером №7 по прототипу.

Способ получения битумного вяжущего, заключающийся в нагревании битума, добавлении к нему масла и модификатора и перемешивании полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве масла применяют бионефть, полученную путем быстрого пиролиза древесной биомассы и характеризующуюся плотностью 1.12-1.21 г/мл и содержанием воды 20-45%, и нагретую до температуры 180°С, в качестве модификатора используют или гидрофобизированный диоксид кремния, или органомодифицированный монтмориллонит и после перемешивания смесь выдерживают в нагретом состоянии в течение 30-60 мин при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанная бионефть	5-10
гидрофобизированный диоксид кремния
или органомодифицированный монтмориллонит	5-30
битум	остальное.

Изобретение относится к составам битумно-полимерных материалов, предназначенных для герметизации деформационных швов цементобетонных и асфальтобетонных покрытий аэродромов. Битумно-полимерная герметизирующая композиция включает нефтяной битум, полимер, пластификатор и комплекс целевых модифицирующих добавок.

Полимерно-битумное вяжущее с повышенной устойчивостью к сдвиговым деформациям и способ его получения // 2765646

Изобретение относится к полимерно-битумному вяжущему, которое может использоваться в качестве вяжущего материала при строительстве, ремонте и реконструкции покрытий и оснований дорог, мостов, аэродромов и других строительных объектов. Заявленное полимерно-битумное вяжущее содержит битум, пластификатор, блок-сополимер алкадиена и стирола, а также дополнительно содержит в качестве модификаторов серу техническую и полифосфорную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.

Битумная мастика // 2762558

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.

Защитный антикоррозионный материал // 2755598

Изобретение относится к защитным антикоррозионным составам, представляющим собой ингибированные пленкообразующие нефтяные составы, предназначенные для защиты от коррозии днищ автотранспортных средств. Задача защитного антикоррозионнного материала образовать защитную пленку, которая должна выполнять две функции, предотвращать появление коррозии на металлических поверхностях, а также иметь высокую механическую прочность и абразивную стойкость к ударам песка и гравия, не позволяя оставлять царапины на поверхности.

Способ изготовления мастики // 2751294

Способ изготовления мастики, согласно которому загружают в емкость диссольвера 17 м.ч. диоктилфталата и 0,5 м.ч.

Способ получения асмола и антикоррозионная изоляционная лента // 2746727

Изобретение относится к области защиты магистральных трубопроводов от почвенной и электрохимической коррозии, в частности к способу получения асмола для антикоррозионного материала, а также к антикоррозионным изоляционным лентам для защиты магистральных трубопроводов на основе асмола. Способ осуществляют путем взаимодействия битума или асфальта пропановой деасфальтизации гудрона с диметилформамидом в присутствии серной кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум или асфальт пропановой деасфальтизации гудрона - 75-85, диметилформамид - 3-5, серная кислота - остальное, при котором на первой стадии перемешивают битум или асфальт пропановой деасфальтизации гудрона и диметилформамид при температуре 120-130°С в течение 1-1,5 ч.

Мастика битумно-полимерная // 2743540

Изобретение относится к области строительства, а именно к составам строительных материалов, таких как мастики, которые могут быть использованы при ремонте кровельных покрытий, или для гидроизоляции труб. Мастика битумно-полимерная включает нефтяной битум, пластификатор, наполнитель, воду, асбест, в качестве нефтяного битума используется смесь битумов, включающая нефтяной дорожный битум БНД 60/90 и битум строительный БН 90/10, в качестве пластификатора используется пластификатор типа стирол-бутадиен-стирол, в качестве наполнителя используется фиброволокно пропиленовое.

Состав полимерно-битумного вяжущего для асфальтобетонных покрытий // 2734711

Изобретение относится к области получения полимерно-битумных вяжущих, содержащих полимерные добавки, а именно к составу полимерно-битумного вяжущего для асфальтобетонных покрытий, предназначенному для использования в дорожном строительстве, а также в строительстве кровель, гидроизоляции. Состав полимерно-битумного вяжущего содержит следующие компоненты, при их соотношении, в мас.ч.: 100 битума, 1-20 дихлорциклопропанированного 1,2-полибутадиена - 1-20.

Битумно-резиновое вяжущее (варианты) для асфальтобетона и способ его получения с использованием свч (варианты) // 2731176

Изобретение относится к области строительных материалов для автомобильных дорог и может быть использовано при получении вяжущего вещества в асфальтобетоне для повышения физико-механических свойств. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа получения битумно-резинового композита для применения в качестве вяжущего вещества в асфальтобетоне повышенного качества.

Праймер битумный токопроводящий // 2726370

Изобретение относится к праймеру битумному токопроводящему, разработанному специально для технологии «изотест про», а именно для диагностики и поиска повреждений диэлектрической гидроизоляции, в том числе на инверсионных кровлях. Праймер имеет следующий состав: битум БНИ-4 в количестве 55 мас.%, графит ГЛ-1 в количестве 15 мас.% и керосин в количестве 30 мас.%.

Способ получения композитных пленок на основе асфальтенов // 2785547

Изобретение относится к получению композиций на основе органических высокомолекулярных соединений, а именно к получению композитных пленок на основе асфальтенов на подложке из полиэтилентерефталата, и может быть использовано при изготовлении электрохимических электродов и неметаллических антенн. Предложен способ получения композитных пленок на основе асфальтенов, включающий перемешивание сухого углеродсодержащего порошка с жидкостью под действием ультразвука, нанесение полученного раствора капельным методом на поверхность подложки из полиэтилентерефталата, сушку на воздухе, лазерную обработку полученного покрытия, промывание в растворителе и последующую сушку на воздухе при комнатной температуре до полного испарения растворителя, согласно изобретению используют порошок асфальтенов, который растворяют в толуоле при перемешивании до получения концентрации 10–30 мг/мл, полученный раствор наносят на подложку в количестве не менее 50 мкл на 1 см2 её поверхности и высушивают при температуре 50 °С в течение 20 мин, получая первый слой покрытия, на который наносят вышеуказанный раствор асфальтенов в толуоле в количестве не менее 50 мкл на 1 см2 поверхности первого слоя и сушат при температуре 50 °С в течение 20 мин, получая двухслойное покрытие, которое облучают лазером с длиной волны 440 нм, с размером лазерного пятна 150×350 мкм, с энергией импульса не менее 160 мДж, с частотой импульсов 2,8 кГц, длительностью импульса 170 мкс в течение 4 мс на точку поверхности, затем промывают в толуоле и сушат.