Полимерно-битумное вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения

Изобретение относится к способам получения композиционных строительных материалов, в частности полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) для приготовления асфальтобетонных смесей, использующихся при строительстве дорог, мостов и аэродромов.

Известно битумное вяжущее для дорожного покрытия (Патент РФ №2299228, кл. С08 95/00, опубл. 20.05.2007, Бюл. №14), содержащее битум и блок-сополимеры алкадиена и стирола, а также дополнительно содержащее индустриальное масло, при этом названные компоненты содержатся в следующем количестве, мас.%:

Способ получения битумного вяжущего заключается во введении при перемешивании в битум блок-сополимеров алкадиена и стирола, при этом для повышения гомогенности целевого продукта, согласно изобретению, до введения в битум названный блок-сополимер, взятый в количестве 0,1-22,3 мас.%, смешивают при температуре 80-160°С с 1,9-33,3 мас.% масла индустриального, после чего полученную смесь при перемешивании вводят при температуре 110-160°С в 44,4-98,0 мас.% битума.

Недостатком данного способа является использование в качестве пластификатора индустриального масла, являющегося товарным продуктом нефтепереработки и значительно удорожающего процесс производства ПБВ. Кроме того, данный способ не обеспечивает достаточную гомогенность целевого продукта, в результате чего действие модифицирующей добавки – блок-сополимера алкадиена и стирола - реализуется не в полной мере. Негомогенная структура вяжущего является причиной образования трещин на дорожном покрытии при температуре ниже минус 10°С.

Известно также ПБВ для дорожного покрытия, содержащее смесь битума, блок-сополимера диена и стирола и добавки, причем в качестве битума содержит битум дорожный улучшенный марок БДУ 70/100 или БДУС 70/100, в качестве блок-сополимера диена и стирола оно содержит Кратон Д 1101 М, а в качестве добавки - нефтяную фракцию, полученную прямой перегонкой тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания (Пат. РФ №2260023, кл. C08L 95/00, C08L 53/02, опубл. 10.09.2005). Такой способ позволяет получать битумное вяжущее, которое имеет повышенные деформационные свойства по показателям кинематической вязкости, растяжимости, эластичности, температуре размягчения.

Недостатком данного способа является крайне ограниченная сырьевая база, так как битумы марок БДУ производятся только из остатков переработки ярегской нефти, вследствие чего объемы производства битумов марок БДУ невелики, а битумы дорожные улучшенные марок БДУС производятся только на одном предприятии РФ. Кроме того, данный способ малопригоден для большинства нефтеперерабатывающих предприятий ввиду отсутствия необходимого сырья - тяжелой малопарафинистой нефти нафтенового основания.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) является битумное вяжущее для дорожного покрытия и способ его получения (Пат. РФ №№2477736, кл. C08L 95/00, C08L 9/06, опубл. 20.03.2013), заключающийся в том, что получение полимерно-битумного вяжущего осуществляется путем введения при перемешивании в битум при 150-160°С последовательно ароматического пластификатора, затем блок-сополимера алкадиена и стирола до полного растворения, далее вакуумного дистиллята фр. 340-530°С.

При этом полимерно-битумное вяжущее содержит битум, блок-сополимер алкадиена и стирола, парафино-нафтеновый пластификатор и ароматический пластификатор, в качестве которого используется экстракт селективной очистки масел (ЭCOM). В качестве парафино-нафтенового пластификатора используется вакуумный дистиллят фр. 340-530°С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум сначала пластифицируется ароматической добавкой (ароматический пластификатор) экстрактом селективной очистки масел (ЭCOM), а затем вводится блок-сополимер алкадиена и стирола.

Однако это известное битумное вяжущее обладает рядом недостатков, а именно: - использованием ароматического пластификатора - экстракта селективной очистки масел (ЭCOM), который представляет собой концентрат ароматических углеводородов. Однако применяемый ароматический пластификатор ЭCOM, являясь экстрактом типа ПН-6, содержит канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Наличие ПАУ в составе масла (3-7 колец) обусловливает потенциальную канцерогенность ароматических масел, в частности содержание ПАУ в экстракте ПН-6 по результатам исследований, проведенных компанией «Сибур», составляет 7,1 мас.% К полициклоароматическим углеводородам, содержащимся в ПН-6 относится в первую очередь бенз(а)пирен, являющийся типичным примером канцерогенного соединения, которое может участвовать в обмене веществ организма человека на разных стадиях как один из наиболее активных метаболитов. Введение экстракта типа ПН-6 в полимерно-битумное вяжущее, используемое для дорожного строительства, приведет в процессе укладки и эксплуатации дорожного полотна к миграции канцерогенных веществ в окружающую среду, нанося вред здоровью человека. С 2010 г применение продуктов, содержащих экстракты ПН-6, запрещено в Европе и странах ЕС в соответствии с требованиями европейского и международного экологического законодательства.

- использованием в качестве вакуумного дистиллята широкой фракции (340-530°С) вакуумной перегонки нефти при остаточном давлении 4-20 кПа. Использование вакуумного дистиллята столь широкой фракции экономически нецелесообразно в современных условиях нефтепереработки, направленных на увеличение глубины переработки нефти с целью максимального отбора вакуумного газойля с дальнейшим использованием во вторичных процессах для увеличения выхода светлых нефтепродуктов. В данном техническом решении плотность вакуумного дистиллята составляет 0,900-0,945 кг/м³, что говорит о малой вязкости данного компонента. Введение маловязкого компонента в ПБВ влечет за собой снижение вязкости готового продукта при высоких и низких температурах, что приводит к снижению сдвигоустойчивости дорожных покрытий.

- недостаточно высокой теплостойкостью ПБВ, характеризующейся невысокими температурами размягчения, приводящими к низкой деформативной способности дорожного полотна в условиях эксплуатации. Деформационные свойства вяжущего - основной показатель качества дорожного полотна. Эти свойства зависят от вязкости, растяжимости, теплостойкости и эластичности битумного вяжущего.

Одновременное достижение высоких значений этих показателей для полимерно-битумных вяжущих является весьма сложной задачей.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение температуры хрупкости, увеличение температуры размягчения, растяжимости, эластичности вяжущего, снижение температуры процесса получения, а также уменьшение миграции вредных веществ в окружающую среду, снижение стоимости вяжущего путем замены товарных компонентов на нетоварные углеводородные фракции нефтепереработки при сохранении высоких значений остальных физико-механических свойств вяжущего.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый способ получения полимерно-битумного вяжущего для дорожных покрытий осуществляется в аппарате смешения путем введения при перемешивании в битум смеси неокисленных остаточных компонентов при 140-150°С, взятой в количестве 30-60 мас.% от состава композиции, затем блок-сополимера алкадиена и стирола в количестве 3,0-3,5 мас.% до полного растворения. При этом в качестве смеси неокисленных остаточных компонентов используют гудрон с условной вязкостью при 80°С - 60-300 с и дополнительно отбираемую дистиллятную фракцию 540-610°С с кинематической вязкостью при 80°С 20-200 мм²/с при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Содержание парафино-нафтеновых углеводородов в дистиллятной фракции составляет 25-29 мас.%, что является достаточным для увеличения показателя температуры хрупкости получаемого ПБВ до - 29÷-33°С.

В битум сначала вводится смесь неокисленных остаточных компонентов - гудрона - вязкостью 60-300 с и дополнительно отбираемой дистиллятной фракции 540-610°С, а затем вводится блок-сополимер алкадиена и стирола. Смесь остаточных компонентов готовится компаундированием при температуре 140-150°С гудрона и дистиллятной фракции, взятых в соотношении 3:1.

Вводимая смесь остаточных компонентов обладает оптимальным групповым химическим составом: парафино-нафтеновых углеводородов - 21,2 мас.%, ароматических углеводородов - 48,6 мас.%, смол - 25,6 мас.% асфальтенов 4,6 мас.%, позволяющим снизить температуру хрупкости и одновременно увеличить теплостойкость и растяжимость битумов при 25 и 0°С, что позволит в дальнейшем повысить срок службы покрытий и повысить деформативную способность во всем интервале эксплуатационных температур.

Использование предлагаемой композиции позволяет получить экологически чистый продукт благодаря использованию в качестве ароматического пластификатора - гудрона, не содержащего в своем составе канцерогенных полициклоароматических углеводородов, определяемых по методу IP 346 (определение массовой доли молекул, экстрагируемых диметилсульфоксидом). Высокое содержание ароматических компонентов в гудроне 45-55 мас.% заявленной вязкости (60-300 с) позволяет значительно улучшить процесс растворения полимера, а также снизить стоимость ПБВ за счет вовлечения нетоварной углеводородной фракции.

Использование дистиллятной фракции высокой глубины отбора 540-610°С позволяет значительно снизить стоимость ПБВ и в дальнейшем асфальтобетона, а вакуумный газойль так называемых верхних фракций (340-540°С) использовать как сырье вторичных процессов переработки нефти с целью увеличения отбора светлых нефтепродуктов.

Сущность предлагаемого способа получения полимерно-битумного вяжущего в сравнении с известным способом, иллюстрируется конкретными примерами. Для реализации способа используют дорожный битум по ГОСТ 22245-90 или ГОСТ 33133-2014, в качестве модифицирующих добавок - высокомолекулярные соединения, такие как блок-сополимер дивинила и стирола марки ДСТ-30-01 по ТУ 38.103267-80, гудрон и дистиллятную фракцию в соотношениях, приведенных ниже в таблице.

Битум нагревают до температуры 140-150°С, вводят смесь неокисленных остаточных компонентов, приготовленную компаундированием гудрона (вязкостью 60-300 с) с дистиллятной фракцией в соотношении 3:1, перемешивают в течение 0,5 часа при температуре не более 150°С. После чего в полученную смесь при перемешивании вводят небольшими порциями ДСТ 30-01. Растворение полимера до однородного состояния проводят в течение 3,0 часов при температуре не более 150°С. Результаты испытаний приведены в таблице, где показано влияние различных соотношений компонентов, используемых при приготовлении полимерно-битумного вяжущего, на его физико-механические показатели: температура размягчения, температура хрупкости, растяжимость при 25 и 0°С, эластичность, а также показатели после прогрева по методу RTFOT (прогрев вяжущего в тонкой пленке под воздействием высокой температуры 163°С и кислорода воздуха по методу EN 12607-1 или ГОСТ 33140), характеризующие стойкость вяжущего к термоокислительному старению и имитирующие изменение физико-механических свойств вяжущего в процессе приготовления асфальтобетонной смеси в асфальтосмесителе.

Данные таблицы показывают, что оптимальный состав и режимы приготовления полимерно-битумных вяжущих, опробованные в примерах 2-4, обеспечивают расширение температурного интервала работоспособности полученного вяжущего как за счет понижения его температуры хрупкости, так и за счет повышения температуры размягчения. После прогрева в тонком слое в динамическом режиме по методу RTFOT (EN12607-1 или ГОСТ 33140-2014) полимерно-битумное вяжущее сохраняет высокие свойства: остаточная пенетрация составляет 77-80%, растяжимость при 25°С 80-95 см, эластичность после прогрева 86-92% что выше чем у прототипа (пример 6, 7). Снижение содержания смеси неокисленных остаточных компонентов до 20 мас.% (пример 1) не позволяет получить ПБВ 60 соответствующее требованиям стандарта. Эластичность при 35°С - 78%, при 0°С - 61%, что ниже требований ГОСТ 52056-2003. При введении более 70 мас.% смеси, ПБВ 90 не соответствует требованиям ГОСТ 52056-2003 по температуре размягчения - 48°С.

Таким образом, преимущество предлагаемого способа перед известным, заключается в том, что получение полимерно-битумных вяжущих при введении добавки интенсифицирует процесс растворения и гомогенизации, что позволяет полностью реализовать модифицирующие свойства высокомолекулярных соединений, расширить температурный интервал работоспособности дорожного вяжущего за счет повышения температуры размягчения и снижения температуры хрупкости, улучшить термопластичность за счет увеличения растяжимости и эластичности, повысить устойчивость к термоокислительному старению, характеризуемому испытаниями после прогрева по методу RTFOT.

Сокращение температуры приготовления предотвращает старение битума, деструкцию высокомолекулярных модификаторов и снижает удельные энергозатраты при производстве полимерно-битумных вяжущих, а также их стоимость.