Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения битумных вяжущих для дорожных покрытий

Изобретение относится к способам получения битумных вяжущих, которые могут быть использованы при строительстве дорог.

Известен способ получения битумного вяжущего модифицированного полиолефинами путем предварительного приготовления концентрата смешением и гомогенизацией битума и полиолефина в соотношении 1:1 при температуре 260-310°С до падения вязкости на 25% от максимального ее значения. Полученный концентрат битум-полиолефин разбавляют битумом и гомогенизируют смесь в скоростном смесителе со скоростью 140-180 м/с в течение 2,5-3,5 мин при соотношении битум-концентрат (6-10): 1. Полученное вяжущее имеет высокую степень гомогенности (см. патент РФ №2053241, МПК C08L 95/00, 1996).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе требуется высокая температура смешения и гомогенизации композиции (260-310°С), которая существенно превышает максимальную технологическую температуру битума, соответствующую 160°С. Выдерживание битумно-полимерной композиции при температуре значительно выше 160°С сопровождается процессами старения битума, что приводит к падению его качественных показателей. В структуре битума образуются активные соединения, наличие которых приводит к еще более интенсивному старению битума при получении асфальтобетона. Указанные температурные границы превышают максимальную температуру вспышки битума, что может представлять высокую пожарную опасность.

Известен способ получения битумного вяжущего включающий введение при перемешивании в битум блоксополимера бутадиена и стирола, причем блоксополимер, взятый в количестве 0,1-22,3 масс. % предварительно смешивают при температуре 80-160°С с 1,9-33,5 масс. % масла индустриального, после чего полученную смесь вводят при температуре 110-160°С в 44,4-98,0 масс. % битума (см. патент РФ №2038360, МПК C08L 95/00, 1995).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе значительное время теряют на малоэффективный процесс предварительного смешивания блоксополимера с индустриальным маслом. Известно (см. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения. Москва, Высшая школа, 1992. - 512 с.), что сополимеры бутадиена и стирола набухают в алифатических растворителях, к которым относится индустриальное масло, с образованием чрезвычайно вязких гелей. Такие гели затем очень медленно взаимодействуют с растворителем, что не позволяет им эффективно диспергироваться в битуме. Кроме того, после длительного диспергирования в битуме остаются частицы геля, в которых сополимер по-прежнему связан с компонентами индустриального масла, т.е. изолирован от компонентов битума. Таким образом, известный способ не обеспечивает достаточную гомогенность битумного вяжущего.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения битумных вяжущих для дорожных покрытий, включающий смешение и гомогенизацию битума, блоксополимера диена со стиролом, индустриального масла, которые проводят при 110-200°С при осуществлении рециркуляции жидкой среды в рециркуляционном контуре, включающем, по крайней мере, битумплавильный котел, насос и камеру кавитационно-кумулятивной обработки, где осуществляют режим гидродинамической кавитации в частотном диапазоне 10-80 Гц (см. патент РФ №2162867, МПК C08L 95/00, 53/02, 1998), принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе используют для получения эффекта гидродинамической кавитации энергию механического насоса, создавая на пути потока перекачиваемого битума фиксированное механическое препятствие. Кроме того, для получения эффекта гидродинамической кавитации требуется давление потока битума не менее 0,2 МПа, при ограничении верхней частоты колебаний в 80 Гц. Другим недостатком способа является отсутствие учета таких факторов как: зависимость плотности и вязкости битумного вяжущего от температуры процесса смешения; значительная неоднородность смеси на начальном этапе смешения.

Проблема при получении битумных вяжущих заключается в том, что возникла необходимость снижения энергозатрат на их производство, за счет сокращения времени достижения требуемых качественных показателей, а также расширения температурного интервала работоспособности полимерно-битумных вяжущих.

Технический результат - сокращение времени достижения качественных показателей путем ультразвуковой интенсификации процесса смешения, а также расширение температурного интервала работоспособности полимерно-битумных вяжущих, за счет увеличения степени гомогенизации полимера в битуме.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения битумного вяжущего для дорожных покрытий, включающий смешение и гомогенизацию битума, блоксополимера диена со стиролом, индустриального масла, в котором смешение и гомогенизацию проводят при 110-200°С при осуществлении рециркуляции жидкой среды в рециркуляционном контуре, включающем битумплавильный котел, насос и камеру кавитационно-кумулятивной обработки, в которой гидродинамическую кавитацию осуществляют путем ультразвукового воздействия колебаниями с частотой 18-68 кГц широтно-импульсно модулированными в частотном диапазоне 10-400 Гц.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, получены в ходе апробации способа получения битумного вяжущего для дорожных покрытий и экспериментов на опытной установке ультразвуковой активации.

Способ получения битумного вяжущего для дорожных покрытий осуществляют следующим образом. Смесь битума, индустриального масла и блоксополимера диена со стиролом марки ДСТ-30-01 при температуре 110-200°С рециркулируют насосом (применялся лабораторный смеситель с проточной перемешивающей насадкой) из битумплавильного котла через камеру кавитационно-кумулятивной обработки, представляющую собой проточный стальной реактор с фланцами, снабженный волноводом ультразвуковых колебаний, который расположен на оси реактора и соединен с внешним пьезокерамическим преобразователем. Электропитание пьезокерамического преобразователя осуществляют от управляемого блока питания, генерирующего переменный ток с частотой 18-68 кГц и имеющего возможность широтно-импульсной модуляции тока в частотном диапазоне 10-400 Гц. В зависимости от акустических свойств среды, в которой находится волновод, блок питания автоматически настраивает резонансную частоту в диапазоне 18-68 кГц для достижения максимальной амплитуды акустических колебаний, вызывающих интенсивное кавитационное воздействие на смесь, увеличивающее степень ее гомогенизации. Одновременно накладывается широтно-импульсная модуляция тока в частотном диапазоне 10-400 Гц для создания в кавитационно-кумулятивной камере стоячей волны, обеспечивающей максимальное кумулятивное воздействие на поток жидкости и интенсификацию процесса смешения компонентов. Соотношение компонентов и время обработки указано в таблице.

Данные эксперимента говорят о том, что максимальный эффект увеличения температурного интервала работоспособности полимерно-битумных вяжущих наблюдается при низкотемпературной обработке (110°С) и спадает с увеличением температуры, что может быть связано с частичной деструкцией полимера. Однако нельзя исключать потерю летучих компонентов смеси за счет испарения при 200°С. Время обработки без ультразвукового воздействия было подобрано экспериментально, в соответствии с параметрами лабораторной установки и данными прототипа.

Температурный интервал работоспособности полимерно-битумных вяжущих, полученных в условиях ультразвуковой обработки предлагаемым способом, также увеличился по сравнению с прототипом и опытом без такой обработки, что говорит об относительно высокой структурированности вяжущего, связанной с увеличением степени гомогенизации полимера в вяжущем.

Таким образом, преимущество предлагаемого способа получения битумных вяжущих для дорожных покрытий состоит в сокращении времени получения вяжущего, в сравнении с классической технологией, более чем на 25%, что позволяет снизить энергозатраты, связанные с поддержанием массы полимерно-битумного вяжущего в нагретом состоянии. С учетом актуальных промышленных объемов получения полимерно-битумных вяжущих и длительности процесса смешения полимера и битумной основы, можно предполагать получение значительного экономического эффекта от внедрения предлагаемого изобретения.