СПОСОБ ОБРАБОТКИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Предлагаемое изобретение относится к дорожному строительству и непосредственно касается способов обработки асфальтобетонных покрытий с применением композиций на основе битумполимерных вяжущих.

Одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед автодорожной отраслью, является защита автодорожных покрытий от отрицательного воздействия климатических и эксплуатационных факторов. Одним из путей разрешения проблем, возникающих из-за старения асфальтобетонного покрытия на дорогах, является обработка их различными защитными составами, обладающими герметизирующими, гидрофобизирующими и другими свойствами.

В качестве защитных составов в основном применяются битумсодержащие композиции, где в качестве основного компонента используется битум. Как известно, битум имеет различное происхождение. В составах для защиты асфальтобетонных покрытий используется как природный битум, так и битум, полученный из минерального масла. Также в качестве битумного компонента используются продукты нефтепереработки, полученные, например, в процессе крекинга нефти, так называемые дистилляционные и прямогонные битумы, отстойные битумы, битумы, включающие ароматические экстракты, битумный пек, деготь и их различные смеси. Используемые битумы характеризуются величиной пенетрации (PEN), так называемая «глубина проникновения иглы». Данная величина измеряется при 25°С и при 0°С и бывает в пределах от 40 до 200 дмм.

На практике известно, что выпускаемые нефтеперерабатывающими заводами вязкие дорожные битумы, применяемые при ремонте автомобильных дорог, не обладают достаточной эластичностью, имеют как низкие адгезионные свойства, так и невысокие прочностные показатели.

Особенно это проявляется при высоких (порядка 50°С) и низких температурах, а также при увеличивающейся интенсивности движения транспорта. Это касается известных составов вяжущих для автодорожных покрытий, в которых содержание битума составляет от 85% и более, например 85-97 мас.% (ЕР 340210, C08L 95/00, 1989), 90-99 мас.% (WO 97/10304, C08L 95/00, 1997), 92-98 мас.% (RU 2412965, C08L 95/00, 2011).

Для улучшения качества битумов и для устранения указанных выше недостатков в качестве вяжущего в отечественной и зарубежной практике предлагается применять битумы, модифицированные полимерными и иными добавками. Среди известных полимеров наиболее широко для получения так называемых битумно-полимерных вяжущих используются термопластичные каучуки (термоэластопласты), например синтетический полибутадиеновый каучук (RU 2148063, С04В 26/26, 2000), резиновый термоэластопласт (РТЭП) (RU 2186044, С04В 26/26, 2002), сополимеры, выбранные из группы: бутадиен-стирольный сополимер (термоэластопласт) (RU 2119513, C08L 53/02, 1998), этилен-винилацетатный сополимер (EVA) с содержанием винила в пределах 20-35 мас.% от массы сополимера (WO 97/44397); этилен-винилацетатный сополимер (EVA) с содержанием винилацетата 40-50 мас % и индексом текучести расплава 2-15 и стирол-бутадиен-стирольный блоксополимер (SBS) с содержанием стирола 20-40 мас.% и индексом текучести расплава 1-15 при массовом соотношении SBS:EVA, составляющем 2:1-6:1 (ЕР 337282, C08L 95/00, 1988) и другие.

Основное внимание в цитированных патентах уделяется подбору наиболее оптимальных составов, включающих битумную и различные полимерные составляющие, которые имели бы величину PEN в пределах от 10 до 100 дмм и предпочтительно в пределах от 20 до 75 дмм (по методу ASTM D₅) (RU 2412965, С04В, 2005).

Для усиления адгезионных свойств в битумные композиции вводятся адгезионные добавки, в качестве которых применяют: талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла с этаноламином (RU 2119513);

высокомолекулярные поверхностно-активные вещества, являющиеся полимерами с молекулярной массой 2000-6000, например полистирол, полиизопрен, полибутадиен, полистирол-полиизопрен, полистирол-полибутадиен (RU 2211846, C08L 95/00, 2003);

поверхностно-активное вещество «Бикор» на основе алифатических кислот и азотсодержащих соединений (RU 2303575, С04В 26/26, 2007);

высокомолекулярные поверхностно-активные вещества - тяжелые жирные кислоты (ТЖК), представляющие собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти, общей формулы RCO(OH), где R-C₁₂-C₂₂-углеводородный радикал (RU 2297990, С04В 26/26, 2007).

Кроме адгезионных добавок к полимерно-битумному вяжущему добавляют и пластификаторы (мягчители), в качестве которых используют минеральные масла, например индустриальное масло (RU 2211846, C08L 95/00, 2003).

Примером такого модифицированного полимерно-битумного вяжущего является известный состав, содержащий: 86-89 мас.% битума, 2,5-5 мас.% полимер-бутадиен-стирольного термоэластопласта, 5,5-7,5 мас.% индустриального масла и 1-3 мас. % высокомолекулярных поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве ПАВ в данном составе используются тяжелые жирные кислоты (ТЖК), представляющие собой смесь высокомолекулярных углеводородов нефти, общей формулы: RCO(OH), где R-C₁₂-C₂₂ - углеводородный радикал (RU 2297990, С04В 26/26, 2007). Данный состав является составной частью асфальтобетонной смеси, содержащей дополнительно, кроме этого, полимерно-битумного вяжущего, песок, минеральный порошок, минеральные волокна асбеста.

Одним из недостатков известных битумных композиций является их недостаточная текучесть при температуре окружающей среды, что снижает их скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие.

Известно, что для повышения текучести битумных композиций и для повышения возможности лучшей пропитки асфальтобетонных покрытий предлагается применение их в форме эмульсий (US 4576648, C08L 95/00, 1985, RU 2176652, C08L 95/00, 2001), суспензий, гелей (RU 2354622, C04B 26/26, 2008) либо растворов (ЕР 22925206 C08L 95/00, 2002; RU 2314325, C08L 95/00, 2008, ЕР 37136, C08L 95/00, 1981). Поскольку наибольший интерес для предлагаемого изобретения представляет применение битумных композиций в форме растворов, то в качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран известный способ получения и применения битумной композиции, используемой именно в форме раствора. Применяемая в данном известном способе композиция, используемая в качестве связующего материала холодного нанесения, включает от 0,1 до 25 мас.% эластомера, от 0,1 до 40 мас.% растворителя, от 30 до 99 мас.% битума и от 0,1 до 30 мас.% литиевой соли жирных кислот. Кроме того, в состав этой композиции может быть введен и наполнитель (RU 2314325, C08L 95/00, 2008). Описываемая битумная композиция содержит эластомеры на основе полимеров диенового типа бутадиена или изопрена и сополимеров перечисленных диенов с винилароматическими соединениями типа стирола. В качестве растворителя битумного связующего (вяжущего) в данном изобретении используются сложные эфиры, например этилвалерат, этилизовалерат, этил-2-метилбутират, н-пропилбутират, изопропилбутират, н-бутилпропионат, изобутилпропионат. Эфиры, используемые в качестве растворителя, имеют температуру кипения 120-160°С. Данная композиция, в случае содержания 5-15%-ного количества растворителя, наносится либо с помощью шпателя, ручного баллона или инжектора для прецизионного нанесения. В случае же содержания растворителя в количестве 15-30 мас.% (в расчете на всю композицию) битумная композиция наносится путем распыления. При нанесении такой композиции растворитель испаряется, а композиция твердеет. Время затвердения при этом зависит от толщины наносимой композиции и составляет от 7 до 60 суток.

Однако, как видно из ее описания, данная композиция и способ ее нанесения, выбранные в качестве прототипа, не пригодны для быстрой обработки автодорожных асфальтобетонных дорожных покрытий, особенно для ремонта уже эксплуатируемых дорог. Основными требованиями, предъявляемыми к составам для пропитки, являются быстрота высыхания и низкое водонасыщение обработанных асфальтобетонных покрытий, снижение старения асфальтобетонных покрытий за счет удлинения срока эксплуатации дорог и повышения коэффициента сцепления колеса с покрытием.

Для удовлетворения этих предъявляемых требований предлагается способ обработки асфальтобетонных дорожных покрытий пропиткой верхнего слоя асфальтобетонных покрытий пропиточной композицией, включающей модифицированное битумное вяжущее, содержащее 30-85 мас.% битума, 15-20 мас.% нефтеполимерной смолы и, возможно, 0-40 мас.% минерального масла и 0-5 мас.% поверхностно-активных веществ, которую наносят на асфальтобетонную поверхность в виде раствора в органическом растворителе, имеющем температуру кипения 155-200°С и используемом в весовом соотношении к модифицированному битумному вяжущему, равном 70/30-50/50, при этом нанесение раствора модифицированного битумного вяжущего на асфальтобетонное покрытие осуществляют методом розлива при норме расхода раствора 0,1-0,40 л/м² и при температуре -6-(+40°C).

Используемое модифицированное битумное вяжущее, возможно, содержит минеральное масло с кинематической вязкостью (при 40°С), равной 35-75 мм²/с.

В качестве органического растворителя модифицированного битумного вяжущего используются растворители, выбранные из группы: уайт-спирит, Тиккурила, Лотоксан, петролейный эфир.

Раствор модифицированного битумного вяжущего, содержащий дополнительно ПАВ и индустриальное масло, получают по следующей схеме: добавляют нефтеполимерную смолу и поверхностно-активные вещества к предварительно нагретому нефтяному битуму, перемешивают образовавшуюся смесь при нагревании, добавляют к ней индустриальное масло, перемешивают, охлаждают и добавляют органический растворитель. Обработке подвергают асфальто-бетонное покрытие, содержащее щебень, песок, битум, стабилизирующую добавку тринидад-асфальта.

При использовании в качестве вяжущего композиции, включающей 80% битума и 20% смолы, а в качестве растворителя - Лотоксана или петролейного эфира, при их весовом соотношении, равном 50/50, норма расхода пропиточного состава, оптимально, составляет 0,110-0,125 л/м².

Предлагаемое изобретение существенно отличается от прототипа как составом применяемой модифицированной композиции, так и технологическими параметрами ее приготовления и нанесения.

Основным компонентом композиции, применяемой для обработки асфальтобетонных покрытий, как и в прототипе, является битум, который характеризуется определенными физико-механическими показателями, основным из которых является так называемая «глубина проникновения иглы» (PEN). Данная величина измеряется при 25°С и при 0°С и в выбранных для применяемой композиции образцах битума она соответственно равняется: 112 и 36 - у нефтяного вязкого дорожного битума Ухтинского НПЗ, и 61-65 и 19-23 - у нефтяного дорожного битума МНПЗ, что соответствует требованиям ГОСТ-22245, предъявляемым к битумам соответствующих марок. Содержание битума в вяжущей композиции до прибавления к ней органического растворителя составляет 30-85 мас.% от общего веса состава, что определяется созданием продукта необходимой вязкости.

Вторым основным компонентом полимерно-битумного связующего является полимерная составляющая, в качестве которой предлагается смола нефтеполимерная (НПС), например нефтополимерная лакокрасочная смола, выпускаемая в РФ по ТУ 38.10916-79. Данная смола является продуктом полимеризации стирола и других ненасыщенных соединений фракции С8-С9 пиролизных смол. Выбор именно этого полимерного составляющего пропиточного состава объясняется и тем фактом, что эта смола хорошо растворяется в органических растворителях и имеет температуру размягчения не ниже 85-95°С. Смола НПС обладает структурирующим эффектом по отношению к коллоидной структуре битума, улучшает деформативные свойства битумов, их теплостойкость и сцепление с минеральными материалами, в том числе с кислыми породами, такими как гранит, обеспечивает довольно высокую скорость высыхания нанесенной защитной пленки. Существенное влияние на эффективность наносимой композиции оказывают выбранные количества вводимой смолы, составляющие 15-20 мас.% от общего веса вяжущего. При этом увеличение ее количества выше заявленного приводит к хрупкости полимерно-битумного вяжущего, а снижение - к уменьшению прочности получаемого покрытия. Асфальтобетон, приготовленный с применением модифицированного этой смолой битума, обладает повышенной водостойкостью, устойчивостью к воздействию высоких температур в летнее время эксплуатации.

В состав модифицированного полимерно-битумного вяжущего для снижения вязкости и хрупкости, которые зависят от качества выбираемого битума, могут быть введены и минеральные масла. Экспериментально выявлено, что используемое модифицированное битумное вяжущее может содержать минеральное масло, предпочтительно с кинематической вязкостью (при 40°С), равной 35-75 мм²/с. К таким маслам относятся различные технические масла, называемые также индустриальными маслами. Примерами таких масел являются известные марки применяемых в РФ марок индустриальных масел, например масла, получаемые при нефтепереработке. К таким относятся, например, индустриальное масло марки И-40А, обладающее высокой стойкостью против окисления, масло марки «ПН-6», называемое нефтяным пластификатором. Основными техническими характеристиками этих масел, влияющими на качество получаемого защитного покрытия, являются кинематическая вязкость (мм²/с), составляющая для масла «И-40А» 61-75 при 40°С и для масла «ПН-6» 35-40 при 100°С и температура застывания, составляющая для масла «И-40А» (-15°С) и для масла «ПН-6» (-36°С). Количество минерального масла как дополнительного компонента в составе полимерно-битумного вяжущего составляет 0-40 мас.% от общего веса вяжущего. Отсутствие таких масел в составе снижает текучесть вяжущего (при определенном качестве битума), а увеличение количества масел выше заявляемого приводит к снижению прочности получаемого покрытия и увеличению срока его высыхания и затвердения.

Дополнительным компонентом полимерно-битумного вяжущего могут быть и поверхностно-активные добавки (ПАВ), которые вводятся в состав композиции в количестве до 5 мас.% от общего веса полимер-битумного вяжущего. В качестве ПАВ в составе композиции, например, используется известная катионная адгезионная присадка (КАП).

Как показывают соответствующие исследования, вводимые ПАВ, особенно катионная адгезионная присадка КАП, повышают износостойкость и водостойкость получаемых покрытий.

Существенную роль на эффективность процесса нанесения модифицированной полимерно-битумной композиции оказывает и выбор органического растворителя и его количества по отношению к количеству используемого вяжущего. В качестве такого растворителя может быть применен органический растворитель, имеющий температуру кипения 155-200°С, к каковым, например, относятся известные, довольно широко применяемые в технике растворители, выбранные из группы: уайт-спирит, Тиккурила, Лотоксан (Lotoxane FAST), петролейный эфир.

Известно, что уайт-спирит (нефрас) представляет собой смесь линейных и ароматических углеводородов, перегоняемых при температуре 155-200°С, Лотоксан (С044 Lotoxane FAST), представляет собой смесь растворителей высокой степени чистоты, имеющих температуру кипения 160°С, не содержащая ароматических растворителей. Данные растворители относятся к категории быстросохнущих, придающих защитному составу такие технологические свойства, как вязкость (ориентировочно 20-45 с.), высокой степени чистоты, имеющих температуру кипения 160°С.

Данные растворители экологически безопасны в сравнении с ранее применяемыми для подобных целей ароматическими углеводородными растворителями, например бензолом, толуолом, ксилолом или галогенуглеводородными растворителями, например трихлорэтаном, дихлорметаном.

Существенным признаком предлагаемого состава является весовое соотношение компонентов композиции полимерно-битумного вяжущего к количеству применяемого растворителя, поскольку оно влияет как на качество получаемого защитного покрытия, так на его устойчивость к старению и на эффективность процесса нанесения готового пропиточного состава. В результате проведенных испытаний эффективности обработки асфальтобетонных покрытий предлагаемым способом выявлено, что для полного перевода композиции вяжущего в жидкое состояние, после которого становится возможным нанесение его на асфальтобетонное покрытие путем розлива, необходимо использовать весовое соотношение растворителя к композиции вяжущего, равное 70/30-50/50.

Для обеспечения полного покрытия поверхности асфальтобетона пленкой защитного пропиточного состава и проникновения данного состава на глубину от 1 до 3-х мм нанесение раствора модифицированного битумного вяжущего на асфальтобетонное покрытие осуществляют методом розлива при норме расхода пропиточного состава 0,10-0,40 л/м². При этом происходит замещение и пополнение фракций старого битума, утраченных из-за старения в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия. Уменьшение нормы расхода ниже заявляемой приводит к снижению защитных функций состава, а увеличение нормы расхода выше заявляемой увеличивает срок высыхания покрытия. Для композиции, включающей 80% битума и 20% смолы, а в качестве растворителя - Лотоксан или петролейный эфир, при весовом соотношении вяжущего и растворителя, равном 50/50, оптимальным является применение нормы расхода пропиточного состава, равной 0,110-0,125 л/м².

Процесс пропитки асфальтобетонного покрытия пропиточным раствором, образование пленочного покрытия и его затвердение осуществляется по предлагаемому способу при температуре -6-(+6°С), что является экспериментально подобранным температурным режимом, обеспечивающим, наряду с другими признаками быстроту высыхания пленки - за 15-30 минут.

Используемая для обработки асфальтобетонных покрытий модифицированная полимерно-битумная композиция, содержащая нефтяной битум, нефтеполимерную смолу, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ), индустриальное масло, получается по следующей схеме: добавляется нефтеполимерная смола и поверхностно-активные вещества к предварительно нагретому до температуры 60°С битуму, затем образовавшаяся смесь перемешивается при температуре 120°С, выдерживается в этом температурном режиме и к ней добавляется индустриальное масло и полученная масса перемешивается уже при температуре 160°С, затем выдерживается при этом же температурном режиме, после чего к охлажденному полимерно-битумному вяжущему приливается органический растворитель в количестве, соответствующем весовому соотношению вяжущего, к органическому растворителю, равному 30/70-50/50, при этом нанесение раствора модифицированного битумного вяжущего на асфальтобетонное покрытие осуществляют методом розлива при норме расхода раствора 0,1-0,40 л/м² и при температуре -6-(+40°C).

Проверка эффективности предлагаемого способа проводилась при обработке асфальтобетонного покрытия определенного состава, например асфальто-бетонного покрытия, содержащего щебень, песок, битум, стабилизирующую добавку (тринидад-асфальт).

Ниже изобретение иллюстрируется таблицами и конкретными примерами получения композиции и ее использования.

Существенное влияние на эффективность процесса нанесения защитного покрытия оказывают технологические особенности стадии получения модифицированного битумного вяжущего и стадии обработки асфальтобетонного покрытия пропиточным органическим раствором модифицированного битумного вяжущего. Ниже приводятся конкретные примеры получения модифицированного вяжущего и его применения

Пример 1

В лабораторную мешалку добавляют исходный битум (500 г), нагретый до температуры 160°С, и затем поднимают температуру до 180°С, вводят смолу НПС (125 г) и перемешивают при этой температуре, затем в разогретый модифицированный смолой битум вводят растворитель (уайт-спирит) (1437 г) и фасуют в герметическую тару.

Пример 2

В лабораторную мешалку, в которую сначала добавляют исходный битум (500 г), нагретый до температуры 160°С, и затем поднимают температуру до 200°С, вводят индустриальное масло (290 г), а затем вводят смолу НПС (250 г) и перемешивают при этой температуре, затем в разогретый модифицированный смолой битум вводят растворитель (лотоксан) (1560 г) и фасуют в герметическую тару.

Пример 3

На очищенное от пыли и грязи асфальтобетонное покрытие марки «ЩМА» краскопультом наносят состав №1 при норме расхода 0,125 л/м² при температуре окружающей среды +5°С. Время высыхания покрытия и образования пленки 15 минут.

Пример 4

На очищенное от пыли и грязи асфальтобетонное покрытие наносят краскопультом состав №6 при норме расхода 0,10 л/м² при температуре окружающей среды -6°С. Время высыхания покрытия и образования пленки 30 минут.

Пример 5

На очищенное от пыли и грязи асфальтобетонное покрытие наносят краскопультом состав №2 при норме расхода 0,4 л/м² при температуре окружающей среды +40°C. Время высыхания покрытия и образования пленки 20 минут.

Для оценки сцепных свойств асфальтобетонного покрытия, обработанного составами пропитки, были проведены замеры коэффициента сцепления колеса с покрытием по методике МАДИ на участке, обработанном составами пропитки, и на таком же необработанном участке. Результаты замеров показывают, что при использовании при температуре в интервале -6-(+6)°С всех предлагаемых пропиточных составов (см. табл.1) при норме расхода раствора 0,10-0,40 л/м² коэффициент сцепления колеса с покрытием имеет среднее значение 0,357-0,4. При замерах на необработанном участке этот коэффициент составляет 0,353.

Качество нанесенного покрытия также было оценено показателем водонасыщения (в % по объему), который для всех образцов составов находится в пределах 2,3-2,5 (для верха) и 2,4-2,8 (для низа), в то время как для необработанного образца поверхности этот показатель составляет 2,05 (верх) и 3,7 (низ) (см. табл. 3).

По результатам данного испытания установлено, что по показателям водонасыщения асфальтобетон на всех частях экспериментального участка соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009.

Наиболее близкими по значениям показатели толщины слоя и водонасыщения выявлены на части участка обработанного составом №1 (растворитель - Лотоксан).

Одним из требований, предъявляемых к получаемому составу, является удобство его нанесения на поверхность. Новый предлагаемый состав после его получения (до нанесения) достаточное время не полимеризуется, что обеспечивает его текучесть при розливе и быстрое проникновение в поры асфальтобетонного покрытия, даже при достаточно низких температурах Важным достоинством наносимого состава является и быстрота формирования из него защитной пленки (не более чем за 0,5 часа), что сокращает время ремонтных работ на автомобильных дорогах.

Предлагаемый состав повышает значительно качество асфальтобетона, на который он наносится в качестве защитного слоя. Исследования показывают, что асфальтобетон, обработанный предлагаемым полимерно-битумным составом, высыхает в течение 15-30 минут, обладает повышенной водостойкостью, устойчивостью к воздействию высоких технологических и эксплуатационных температур, например в летнее время (+40-(+60)°С, а также к воздействию инфракрасного солнечного излучения, что позволяет избегать таких деформаций на дорогах, как сдвиги, наплывы и т.п. Срок службы нанесенного пропиточного слоя составляет не менее 2-3-х лет.