Результат интеллектуальной деятельности: МОДИФИКАТОРЫ АДГЕЗИИ И КОГЕЗИИ ДЛЯ АСФАЛЬТА

Настоящее изобретение в общем относится к новому сочетанию поверхностно-активных веществ и модификаторов реологии асфальта, которые влияют на адгезионные и когезионные свойства асфальта, для значительного улучшения свойств влагостойкости горячих асфальтовых смесей, содержащих проблемные заполнители.

Уровень техники

Асфальтовые смеси широко применяются в строительстве и техническом обслуживании дорог, и большую часть асфальтовых смесей, которые применяются в настоящее время, получают горячим способом, и такой асфальт обычно известен как горячая асфальтовая смесь или HMA. Он также известен как асфальтобетон, который состоит из асфальтового связующего и минеральных заполнителей. Заполнители могут быть природными или обработанными заполнителями. Применяют обычным образом обработанные заполнители, которые добыты из карьера, раздроблены, разделены на фракции определенного размера, промыты или иным образом обработаны для получения определенных рабочих характеристик конечной HMA. Заполнители обычно представляют собой смесь различных размеров для придания асфальтовой смеси желаемых свойств в соответствии с проектом асфальтовой смеси.

Прочность и долговечность асфальтовых дорожных покрытий зависит от различных факторов, таких как свойства использованных материалов, взаимодействия различных материалов, проекта асфальтовой смеси и частиц строительных материалов. Важно добиться надлежащего покрытия асфальтом заполнителя с оптимальной толщиной пленки связующего (асфальта) и хорошей адгезии асфальта с заполнителем, и хорошей когезионной прочности асфальта, чтобы получить асфальтовую смесь, которая будет обладать хорошими эксплуатационными качествами в течение срока службы дорожного покрытия. Дорожные покрытия проектируют так, чтобы избежать повреждений различных типов, таких как остаточная деформация, усталостное растрескивание, растрескивание под действием низких температур и вызываемое влагой повреждение.

Вызываемое влагой повреждение также представляет собой серьезную проблему. Вызываемое влагой повреждение в асфальтовых смесях может происходить двумя основными путями. Во-первых, вода будет вытеснять асфальт с поверхности заполнителей, особенно с заполнителей, содержащих большие количества диоксида кремния, поскольку вода обладает высоким сродством к поверхности заполнителей по сравнению с асфальтом и отсутствует химическое связывание асфальта с поверхностью. Это явление известно как отлипание. Адгезия представляет собой образование химической связи между асфальтом и заполнителем. Во-вторых, вода с течением времени при повторной нагрузке может проникать внутрь асфальта и уменьшать когезионную прочность асфальта. Последствия воздействия отлипания и потери когезионной прочности асфальта на свойства асфальтовой смеси могут быть легко оценены с помощью гамбургского испытания на колееобразование (Hamburg wheel tracking test), в котором измеряют деформацию асфальтовой смеси под действием повторяющейся нагрузки под водой.

Хорошо известно, что промоторы адгезии, которые представляют собой поверхностно-активные молекулы, известные как жидкие добавки, предотвращающие отлипание, или представляют собой гидратированную известь, применяются в горячей асфальтовой смеси, чтобы обеспечить защиту от вызываемого водой повреждения. Их применение решило бы проблемы вызываемого водой повреждения в случае многих традиционных асфальтовых смесей, но некоторые асфальтовые смеси невосприимчивы к традиционным обработкам добавками, предотвращающими отлипание. Также хорошо известно, что реология асфальта может быть модифицирована добавками различных типов, но данные модифицирующие реологию обработки, выполненные сами по себе, не способны решить все проблемы вызываемого водой повреждения.

Изобретение относится к технической проблеме создания усовершенствованного битума или асфальта, в частности для изготовления дорожных поверхностей. Конкретнее, авторы настоящего изобретения обнаружили, что новое сочетание поверхностно-активных веществ и модификаторов реологии асфальта может влиять на адгезионные и когезионные свойства асфальта, значительно улучшая стойкость горячих асфальтовых смесей к вызываемому влагой повреждению. Это приводит к превосходному асфальту или смеси битума (асфальта) с заполнителями, который более стоек к вызываемому водой повреждению. Это представляет собой первый пример того, что единственное в своем роде сочетание поверхностно-активных веществ и модификаторов реологии использовано в виде единого комплекса, который демонстрирует значительно улучшенные эксплуатационные качества по сравнению с традиционной обработкой добавками, предотвращающими отлипание.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к комплексу добавок для асфальтовых композиций, который включает новое сочетание поверхностно-активного компонента и модифицирующего реологию компонента. Модификаторы, которые модифицируют реологию (вязкость) асфальта, в частности, повышают вязкость или “когезионную прочность” асфальта при температуре дороги. При добавлении к асфальту комплекс добавок по изобретению улучшает сродство и химическое связывание асфальта с поверхностью заполнителя путем повышения водостойкости связи заполнитель-асфальт, а также повышения когезионной прочности асфальта.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к битумной или асфальтовой композиции для дорожного покрытия поверхностей дороги, причем указанная композиция включает смесь битума и заполнителей и комплекс добавок, распределенный в ней.

Комплекс добавок по изобретению включает сочетание поверхностно-активных компонентов и модифицирующих реологию компонентов. Поверхностно-активный компонент предпочтительно включает по меньшей мере одно аминное или модифицированное аминное поверхностно-активное вещество, тогда как модифицирующий реологию компонент включает по меньшей мере один из компонентов: i) восковой компонент, ii) нерастворимый в асфальте, неплавкий компонент и iii) смолистый компонент.

Комплекс добавок по изобретению положительно влияет как на адгезионные, так и на когезионные свойства асфальта, тем самым значительно улучшая свойства влагостойкости горячих асфальтовых смесей. Применение сочетания модификаторов реологии и поверхностно-активного вещества не приводило к проблемам с уплотнением асфальтовых смесей: уплотнение легко достигалось в лаборатории с получением заданных проектных плотностей.

Любая асфальтовая смесь, известная специалисту в данной области, может быть использована в контексте настоящего изобретения. Например, стандартный асфальтовый слой износа, типично содержащий примерно 3-8% битума, и так называемый щебеночно-мастичный асфальт, который содержит примерно 6,5-8,5% битума, оба, могут быть легко использованы. Поскольку заявляемым эффектом является улучшение адгезии и когезии связующего для минимизации вызываемого влагой повреждения, идея изобретения применима к любым асфальтам подходящего для строительства дорог сорта, таким как различные сорта PG-асфальтов (ранжированных по эксплуатационным качествам). Данная идея также может быть распространена на кровельные покрытия, где улучшение в адгезии с минеральными наполнителями и поверхностными заполнителями, а также улучшение в когезии асфальта увеличивает срок службы покрытия.

Как обсуждено выше, комплекс добавок по изобретению включает от примерно 10 до 60% по массе аминного или модифицированного аминного поверхностно-активного вещества и от примерно 20 до 90% компонента или компонентов, модифицирующих реологию. Поверхностно-активный компонент предпочтительно включает по меньшей мере одно аминное или модифицированное аминное поверхностно-активное вещество, тогда как модифицирующий реологию компонент включает по меньшей мере один из компонентов: i) восковой компонент, ii) нерастворимый в асфальте, неплавкий компонент и iii) смолистый компонент. В случае некоторых проблемных асфальтовых смесей могут быть использованы смеси двух или более модифицирующих реологию компонентов, которые могут входить в любую из групп i)-iii). В другом варианте осуществления комплекс добавок по изобретению включает от 20 до 40% по массе аминного или модифицированного аминного поверхностно-активного вещества и от примерно 30 до 80% модифицирующего реологию компонента. Если модифицирующий реологию компонент включает два модификатора реологии из отдельных классов i) и iii) согласно изобретению, предпочтительно, чтобы они присутствовали в соотношении от 30:70 до 70:30, более предпочтительно - от 40:60 до 60:40, и в другом варианте осуществления - в пропорциях приблизительно 50:50.

Более подробное описание каждого комплекса добавок и каждого из материалов, составляющих компоненты, и их свойств приведено ниже.

Поверхностно-активный компонент

Поверхностно-активный компонент комплекса добавок по изобретению включает по меньшей мере одно аминное и/или модифицированное аминное поверхностно-активное вещество или их смеси. В одном примере поверхностно-активный компонент выбран из аминов, диаминов, полиаминов, этоксилированных аминов, этоксилированных алкилдиаминов, этоксилированных алкилполиаминов, амидоаминов, амидополиаминов, имидазолинов и/или любых их соответствующих органических и/или неорганических солей, и смесей и сочетаний упомянутых веществ. Некоторые примеры аминных и/или модифицированных аминных поверхностно-активных веществ, применимых в контексте изобретения в общем виде изображены следующими общими формулами:

I. Амины

,

где R представляет собой насыщенный или ненасыщенный, замещенный или незамещенный, необязательно разветвленный или циклический, углеводородный радикал с 8-24 атомами углерода, например, производный талловых жирных кислот или жирных кислот таллового масла. R¹ и R² могут быть одинаковыми или различными и выбраны из водорода или углеводородного радикала с 1-24 атомами углерода. Предпочтительно, R¹ и R² выбраны из водорода или метила. Репрезентативным примером является гидрированный талловый амин (CAS № 61788-45-2).

II. Диамины и полиамины

,

где R имеет то же значение, что и в приведенной выше формуле I, а R³ представляет линейный или разветвленный углеводородный радикал с 1-6 атомами углерода. В одном варианте осуществления R³ представляет собой пропиленовый радикал (-CH₂CH₂CH₂-), а x представляет собой малое целое число меньше, либо равное 6. Репрезентативным примером, где R = талловый радикал, x=1 и R³=пропилен, является N-талловый пропилендиамин (CAS № 61791-55-7).

III. Этоксилированные или пропоксилированные амины

,

где R имеет то же значение, что и в приведенной выше формуле I; R⁴ представляет собой метил или водород; и x и y независимо выбраны из 0, 1 или 2. В одном варианте осуществления x=y=1. Репрезентативным примером, R = гидрированный талловый алкил, x=y =1 и R⁴ представляет собой H, является N,N-диэтанол-гидрированный талловый амин (CAS № 90367-28-5).

IV. Этоксилированные или пропоксилированные алкилдиамины и этоксилированные алкилполиамины, например

,

где R, R³ и R⁴ имеют то же значение, что и в приведенных выше формулах I, II и III; x, y и z независимо выбраны из 0, 1 или 2, и x+y+z<либо=5. В одном варианте осуществления x=y=z=1. Репрезентативным примером, где R=гидрированный талловый алкил, x=y=z=1 и R³=пропилен и R⁴ представляет собой H, является N,N,N'-трис(2-гидроксиэтил)-N-гидрированный талловый-1,3-диаминопропан (CAS № 90367-25-2).

V. Алкиламидоамины

,

где R, R¹, R² и R³ имеют то же значение, что и в приведенных выше формулах I-III. Репрезентативный пример, где R¹=R²=метил и R³=пропилен, и R=C₈-C₂₂-алкил, имеет CAS № 84082-43-9.

VΙ. Амидополиамины и имидазолины, например,

,

где R и R³ имеют то же значение, что и в приведенном выше примере I, и x=целому числу от 1 до 10. Данная группа включает продукт реакции жирных кислот или сложных эфиров со сложными смесями полиэтиленполиаминов и родственных соединений, которые также могут содержать циклические и замещенные азоты, полученные в качестве побочных продуктов при производстве диэтилентриамина и этилендиамина. Репрезентативные соединения имеют CAS №№ 402591-95-1, 68910-93-0, 103213-06-3, 95-38-5.

Продукты, перечисленные выше, могут присутствовать в смесях, описанных в изобретении в виде своих солей органических или неорганических кислот, включая следующие, но не ограничены ими: соли длинноцепных жирных кислот, например стеариновой кислоты, соли фосфорных кислот или замещенных фосфорных кислот, уксусной кислоты, нафтеновых кислот, канифольных кислот и так далее.

Конкретные поверхностно-активные вещества пригодные для применения в комплексе добавок по изобретению, включают следующие, но не ограничены ими: этоксилированные талловые амины, жирные амины, производные жирных аминов, амидоамины/имидазолины таллового масла, бисгексаметилентриамин и высшие олигомеры гексаметилендиамина, другие алкиламинные поверхностно-активные вещества с углеводородной цепью, состоящей из 8-22 атомов углерода, и их смесей и сочетаний. Конкретные примеры таких поверхностно-активных веществ включают следующие, но не ограничены ими: талловый N-пропилендиамин, трис-этоксилированный талловый N-пропилендиамин, Redicote C-450, смесь имидазолинов и амидополиэтиленполиаминов, Wetfix 312-смесь имидазолинов и амидоаминов, доступную от Akzo Nobel Surface Chemistry LLC, Чикаго, Иллинойс. Поверхностно-активный компонент также может включать гидрированный талловый пропилендиамин, этоксилированный гидрированный талловый пропилендиамин, талловый дипропилентриамин, талловый трипропилентетрамин и их производные, и амиды, получаемые в результате конденсации жирных кислот с диметиламинопропиламином.

Модифицирующий реологию компонент

Модифицирующий реологию компонент комплекса добавок по изобретению включает: i) по меньшей мере один восковой компонент, ii) необязательно, нерастворимый в асфальте, неплавкий компонент и iii) по меньшей мере один смолистый компонент, а также их смеси и сочетания.

i) Восковой компонент

Восковые модификаторы, которые могут быть с пользой использованы в контексте изобретения, включают следующие, но не ограничены ими: воски растительного (например, карнаубский воск), животного (например, пчелиный воск), минерального (например, монтан-воск (торговая марка), произведенный из угля, воск Фишера-Тропша, произведенный из угля) или нефтяного (например, парафиновый воск, полиэтиленовый воск, воск Фишера-Тропша из газа) происхождения, включая окисленные воски; амидные воски (например, этиленбисстеарамид, стеариламид, стеарилстеарамид); жирные кислоты и мыла восковой природы (например, стеарат алюминия, стеарат кальция, жирные кислоты); другие жирные материалы восковой природы (жирные спирты, гидрированные жиры, жирные сложные эфиры и так далее) со способностью схватывать асфальт и тому подобное. Вышеупомянутые продукты в основном растворимы в асфальте при температурах горячей асфальтовой смеси, формируя гомогенный связующий, и/или будут плавиться при температуре асфальтовой смеси, и ингредиенты будут диспергироваться/растворяться в смеси. Восковые и смолистые ингредиенты будут в общем действовать, улучшая когезионные свойства асфальта, тогда как промотор адгезии будет улучшать адгезию асфальта к заполнителю. Совместно ингредиенты обеспечивают повышенную стойкость к вызываемому водой повреждению.

В одном варианте осуществления изобретение предпочтительно использует воск Фишера-Тропша, производимый из угля или природного газа или любого нефтяного сырья. Способ включает в себя газификацию вышеупомянутого сырья посредством частичного окисления с получением монооксида углерода при высоких температуре и давлении и реакцию полученного монооксида углерода с водородом при высоких температуре и давлении в присутствии подходящего катализатора (такого как соединение железа или соединение кобальта), например, как в случае способов, применяемых в настоящее время Shell и Sasol. Точка застывания воска находится между 80°C и 120°C с вязкостью по Брукфилду при 135°C в диапазоне от 8 до 20 сантипуаз.

ii) Нерастворимый в асфальте, неплавкий компонент

Второй тип модификатора реологии, применяемого в качестве модифицирующего реологию компонента по изобретению, представляет собой так называемые нерастворимые в асфальте, неплавкие компоненты. Такие добавки, которые также применяются, чтобы повысить вязкость асфальта, никогда не плавятся, но могут быть диспергированы в фазе асфальта, где они повышают вязкость. Примеры включают следующие, но не ограничены ими: сажу, определенные глины, возможно органически модифицированные, диоксид кремния, например пирогенный диоксид кремния, известь, целлюлозное волокно и другие волокна, нерастворимые в асфальте, и тому подобное.

iii) Смолистый компонент

Третий тип модифицирующего реологию компонента включает смолы растений (смола таллового масла, пек из соснового дегтя, талловые канифоли, канифольные кислоты, сосновые канифоли, живичные канифоли, включая химически модифицированные смолы, такие как модифицированные малеиновой и фумаровой кислотой канифоли и смолистые побочные продукты переработки таллового масла или переработки живичных канифолей) или нефти (нефтяные смолы, фенольные смолы). В частности, подходящими являются смолы, имеющие определяемую по образованию капли температуру плавления >60°F и проникновение <50 при 25°C, например, смола таллового масла или модифицированные смолы таллового масла, содержащие длинноцепные и трициклические органические кислоты и стеролы. Модификаторы на основе смол таллового масла могут также включать не являющиеся смолистыми фракции дистилляции сырого таллового масла, такие как жирные кислоты, головные погоны таллового масла, и могут также включать химически модифицированные варианты данных фракций как результат модификации малеиновой и фумаровой кислотой. Предпочтительные модификаторы реологии данного класса включают следующие, но не ограничены ими: смолу таллового масла, модифицированную малеиновой кислотой смолу таллового масла, канифольные кислоты, головные погоны таллового масла. Полимеры пластомерного (полиэтилен, полипропилен, этилвинилацетат) или эластомерного (натуральный каучук, стирол-бутадиеновый каучук, полихлоропрен, искрошенный каучук из регенерированных шин и так далее) характера; асфальтовые материалы с высокой точкой размягчения (например, асфальтены, Гильсонит (торговая марка), асфальт из Асфальтового озера в Тринидаде, побочные продукты деасфальтизации нефтей, окисленные асфальты и так далее); асфальтены, такие как кубовые остатки ROSE (сверхкритическая экстракция нефтяных остатков), и другие асфальты нулевого проникновения также могут быть использованы либо сами по себе, либо в сочетании.

В широком смысле изобретение предполагает сочетание поверхностно-активных агентов с одним или более модификаторами реологии асфальта, которые могли бы включать воск Фишера-Тропша, другие типы воска, полимеры, сажу, Гильсонит или модификаторы на основе таллового масла, причем ключевым признаком является то, что данные типы ингредиентов были объединены в единый продукт.

Комплекс добавок по изобретению может быть примешан в асфальт до того как асфальт внесен в заполнитель в установку приготовления горячей асфальтовой смеси, он может быть добавлен к заполнителю или к части заполнителя до того как асфальт добавлен в смеситель, или он может быть добавлен в смеситель установки приготовления горячей асфальтовой смеси после того как асфальт был добавлен к заполнителю. Его предпочтительно добавляют в смеситель, такой как барабанный смеситель установки приготовления горячей асфальтовой смеси. Уровень дозировки комплекса добавок по массе асфальта находится в диапазоне от 0,2 до 10% по массе, предпочтительно - в диапазоне от 0,5 до 6% по массе, и еще более предпочтительно - примерно от 1 до 3% по массе в расчете на асфальт.

Комплекс добавок по изобретению обладает следующими преимуществами над существующими в настоящее время технологиями:

(a) Он улучшает влагостойкость асфальтовых смесей, подвергающихся воздействию повторной нагрузки во влажных условиях, как демонстрируется гамбургском испытании на колееобразование (Hamburg wheel tracking test), по сравнению с традиционными обработками, такими как применение жидких добавок, предотвращающих отлипание, или применение гидратированной извести.

(b) Он обладает преимуществом над обработкой гидратированной известью в случае обычных асфальтовых смесей в терминах стоимости и простоты использования. Дозировка составляет менее 3 фунтов на тонну асфальтовой смеси по сравнению с типичной известковой обработкой, использующей примерно от 20 до 30 фунтов на тонну асфальтовой смеси. Он также снижает фрахтовые расходы, поскольку нужно транспортировать меньше материала по сравнению с известью. Добавка, описание которой будет дано далее, может быть получена в легкой для использования форме, избегая проблем пыления.

(c) Он повышает долговечность асфальтовой смеси, не ухудшая свойства гибкого дорожного покрытия.

(d) Благодаря температуре плавления и физическим характеристикам комплекса добавок по изобретению он может быть получен в физической форме, такой как порошкообразное, имеющее вид таблеток или чешуек сыпучее твердое вещество, или в расплавленной форме (горячая жидкая форма), которая может быть примешана в асфальт непосредственно перед производством горячей асфальтовой смеси или могла бы быть добавлена в барабанную сушилку на различных этапах в ходе производства горячей асфальтовой смеси, как описано выше.

Далее изобретение будет проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами. Все испытания проводили согласно Tex-242-F, методике гамбургского испытания на колееобразование (Hamburg wheel tracking test), изданной Техасским департаментом транспорта.

Результаты гамбургского испытания, проведенного Dallas APAC R&D

Композиция асфальтовой смеси: Ty D

48% Известняковый заполнитель, Тип D, Martin Marietta, Чико

22% Известняковые высевки, Martin Marietta, Чико

10% Hanson Sand, Феррис, Техас

5,6% Valero PG 64-22

Требования гамбургского испытания Техасского департамента транспорта (TxDOT):

Результаты гамбургского испытания, проведенного Beaumont APAC R&D

Композиция асфальтовой смеси: Ty D

46% Известняковый заполнитель Tower № 8

24% Известняковый заполнитель MM Cave-in-Rock № 11

15% Песчаный известняковый заполнитель производства MM Cave-in-Rock

13% Кремнеземистый заполнитель из природного песка, Kerr Materials

4,5% PG 64-22 Total Port Arthur

Требования гамбургского испытания Техасского департамента транспорта (TxDOT):

“Akzo Nobel 4/09/06” представляет собой смесь, иллюстрирующую изобретение, и она включает в себя:

Toprez HM (смолу, произведенную из таллового масла, от Chusei)-33% по массе

N-талловый пропилендиамин - 25% по массе

Воск Фишера-Тропша - 42% по массе

В способе испытания уплотненные образцы асфальтовых смесей подвергали воздействию повторяющихся циклов колееобразования под водой. Разрушение образца обнаруживается по деформации (колееобразование). Деформацию 12,5 мм принимают за признак разрушения. Число циклов до деформации 12,5 мм представляет собой меру эксплуатационных качеств смеси. Испытания ясно показывают, что смеси, содержащие комплекс добавок, иллюстрирующий изобретение, Akzo Nobel 4/09/06, выдерживали больше циклов до достижения предела деформации 12,5 мм.

Часто разрушение является результатом отлипания (отсоединения асфальта от заполнителя), и хотя способ испытания не измеряет отлипание само по себе, отлипание может быть установлено по присутствию не имеющих покрытия поверхностей крупных заполнителей или по уходу мелких составляющих заполнителя и асфальта в воду. Комментарии, приведенные в Таблицах, дают качественное подтверждение того, что обработка с применением Akzo 4/09/06 показывала меньшее отлипание по сравнению с необработанными смесями или смесями, содержащими традиционный жидкий агент, предотвращающий отлипание.