Способ получения эмульсионно-минеральной смеси

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси Коммунальное проектно-ремонтно-строительное унитарное предприятие Гомельоблдорстрой(72) Авторы Опанасенко Ольга Николаевна Крутько Николай Павлович Овсеенко Людмила Васильевна Кравченко Вадим Михайлович Михоленко Александр Дмитриевич Гуревич Раиса Ефимовна Жиженский Олег Николаевич Дворкин Леонид Эммануилович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси Коммунальное проектно-ремонтностроительное унитарное предприятие Гомельоблдорстрой(57) Способ получения эмульсионно-минеральной смеси, включающий приготовление битумной катионной эмульсии, содержащей пластифицированный битум и эмульгатор на основе производных алкилдиаминов, алкиламидоимидазоаминов или четвертичных аммониевых оснований, и ее смешивание со щебнем, предварительно обработанным составом,увеличивающим адгезию битума, отличающийся тем, что в качестве пластифицированного битума используют битум, содержащий 2-3 мас.светлых нефтепродуктов, имеющих интервал кипения 150-250 С, в качестве щебня - щебень фракции 2,5-10,0 мм кубовидной формы из гранита, габбро, базальта, диабаза или диорита и в качестве состава,увеличивающего адгезию битума, - 0,1-10,0 -ный раствор в светлых нефтепродуктах,имеющих интервал кипения 150-250 С, реагентов, выбранных из производных полиаминов, диаминов и оксиэтилированных аминов, при этом компоненты берут в следующем соотношении, вес.ч. щебень 100 состав, увеличивающий адгезию битума 0,40-0,77 битумная катионная эмульсия 6,5-8,5. 10500 1 2008.04.30 Изобретение относится к технологии дорожного строительства и может быть использовано на предприятиях, выпускающих битумные эмульсии и/или эмульсионно-минеральные смеси для дорожно-строительных работ, в частности для приготовления складируемых эмульсионно-минеральных смесей, предназначенных для среднего и ямочного ремонта дорожных покрытий. Известен способ получения эмульсионно-минеральных смесей, используемых в холодных технологиях дорожных работ, в котором для регулирования скорости распада битумно-латексной эмульсии в смесь вводится водный раствор стабилизатора на основе солей четвертичных алкиламмониевых оснований с длиной углеводородного радикала 12-18 1. Однако использование данной добавки не позволяет получать складируемые эмульсионно-минеральные смеси. Известен также способ получения битумных катионных эмульсий и суспензий на основе этих эмульсий и гранулированных материалов 2. Эмульсия содержит 30-80 битума, 0,1-10 эмульгатора, представляющего собой продукт реакции полиамина с соединением из группы ненасыщенных эпоксидированных жирных С 8-С 22 кислот и их эфиров, остальное вода (до 100 ). Для покрытия дорог эмульсия может быть смешана с различными гранулированными материалами. Недостатком данного способа является быстрая слеживаемость полученных эмульсионно-минеральных смесей. Известен способ получения холодной асфальтобетонной смеси из смеси щебня, песка из отсевов дробления и катионной битумной эмульсии путем их смешения в установке. Смесь может храниться в штабелях до 3 месяцев, в герметичной таре - до 6 месяцев с момента производства 3. Недостатком данной смеси является то, что для производства используется минеральный материал непрерывного зернового состава. В связи с этим наблюдается частичная слеживаемость смеси и ухудшается ее удобоукладываемость. Наиболее близким по технической сущности является способ получения холодных битумно-минеральных смесей на основе битумной эмульсии и минерального материала непрерывного гранулометрического состава, предварительно обработанного водным раствором гидрофобизирующего реагента 4. Недостатком данного способа является использование при производстве битумно-минеральной смеси дополнительно специальных пленкообразующих и коалесцирующих агентов, которые вводятся в битумную эмульсию непосредственно перед обработкой эмульсией минерального материала, что не только усложняет технологический процесс, но и приводит к значительному удорожанию холодных битумно-минеральных смесей. Кроме того, применение водного раствора гидрофобизирующего реагента приводит к увлажнению минерального материала, в связи с чем увеличивается их слеживаемость, а их удобоукладываемость обеспечивается только в течение от 4 до 24 часов после приготовления. Согласно данному способу получают плотные битумно-минеральные смеси различного типа, являющиеся аналогом горячих асфальтобетонных смесей, которые укладываются непосредственно после приготовления и не предназначены для длительного хранения и выполнения работ по ямочному ремонту в межсезонный период. Задачей изобретения является повышение качества и улучшение эксплуатационных характеристик складируемых эмульсионно-минеральных смесей, таких как удобоукладываемость и низкая слеживаемость в течение длительного хранения на складах в широком диапазоне температур. Поставленная задача достигается тем, что перед смешиванием с катионной битумной эмульсией узкофракционированный кубовидный минеральный материал предварительно обрабатывают адгезионной добавкой в виде раствора в светлых нефтепродуктах. Получаемые по предлагаемому способу складируемые эмульсионно-минеральные смеси содержат минеральный материал соответствующего зернового состава, покрытый битумным вяжущим. За счет применения адгезионной добавки и подбора рецептуры битумной эмульсии достигается максимально плотная упаковка минеральных зерен, а вяжущее равномерно распределено по объему в виде пленок. Полученная смесь длительное 2 10500 1 2008.04.30 время сохраняет свою консистенцию и свойства, позволяющие использовать ее без подогрева в течение нескольких месяцев. Полученные по предлагаемому способу холодные смеси на битумных эмульсиях имеют следующие преимущества допускают использование влажного каменного материала за счет улучшения обволакиваемости каменного материала эмульсией экономится 1030 битума приготовление и укладка холодных смесей может выполняться при неблагоприятных климатических условиях активность эмульсии усиливает адгезионно-когезионные свойства битума вязкость эмульгированного битума с понижением температуры возрастает медленнее в отличие от обычного битума, что также улучшает его адгезионные свойства холодный способ упрощает технологию производства работ. Битумные эмульсии получали на лабораторной установке(Франция). Температура битумной фазы 130-160 С, водной - 40-50 С, рН 1,8-2,5. Необходимое значение рН создавалось добавлением соляной кислоты. Водная и битумная фазы подавались в диспергатор установки с таким расчетом, чтобы соотношение их в эмульсии составляло 30-4060-70 соответственно. Коллоидно-химические свойства битумных эмульсий во многом определяются видом эмульгатора и его концентрацией. При производстве битумных эмульсий для складируемых эмульсионно-минеральных смесей рекомендуются эмульгаторы на основе производных алкилдиаминов, алкиламидоимидазоаминов, четвертичных аммониевых оснований. При их использовании возможно приготовление эмульсии с необходимыми коллоиднохимическими характеристиками, в частности по вязкости и скорости распада. Физико-химические характеристики битумного вяжущего оказывают решающее влияние на свойства битумной эмульсии и долговечность дорожного покрытия. Для изменения структурно-реологических характеристик вяжущего при производстве складируемых эмульсионно-минеральных смесей предусматривается пластифицирование битума. Физико-химические свойства битумных эмульсий, полученных на базовом и пластифицированном битуме, с использованием в качестве эмульгатора диаминов приведены в табл. 1. Таблица 1 Физико-химические характеристики битумных эмульсий, полученных на основе битума, пластифицированного нефтяными углеводородами Битум Характеристики эмульсии Интервал Исходный Остаточный кипения Остаток Вязнефтяной Тразм. по Пенетра- Тразм. по ПенетраИндекс ция, 25 С,ция, 25 С, на сите,кость,фракции, С КиШ, С КиШ, С распада х 0,1 мм х 0,1 мм 0,63 мм 0,16 мм Е Базовый битум 55,5 70 58,0 65 0,06 0,25 127 2,2 Пластифицированный битум 140-380 51,0 121 50,5 117 0,03 0,1 140 3,0 150-200 53,0 87 54,0 85 0,02 0,14 120 3,0 Из приведенных данных видно, что введение пластификаторов в исходный битум приводит к получению эмульсий, обладающих повышенной вязкостью. Однако введение тяжелых нефтяных фракций вызывает существенное изменение свойств остаточного битума. Поэтому в качестве пластификаторов должны использоваться светлые нефтепродукты с интервалом кипения 150-250 С. В табл. 2 представлены результаты определения когезионной прочности вяжущего при различных температурах, выполненного по методу ВИАЛИТ. 3 10500 1 2008.04.30 Таблица 2 Изменение когезионной прочности вяжущего, полученного из эмульсии на базовом и пластифицированном битуме Характеристики битума исходный остаточный Пенетрация,Тразм. по Пенетрация,Тразм. по Когезия по ВИАЛИТ 25 С, х 0,1 мм КиШ, С 25 С, х 0,1 мм КиШ, С 60 С-15 С Базовый битум 118 47,5 106 49 100 10 Пластифицированный битум 244 40,5 171 43,5 100 52 Примечание эмульгатор на основе алкилдиамина и алкиламидоамина. Приведенные данные показывают, что введение светлых нефтепродуктов в битум увеличивает когезию в остаточном вяжущем, что особенно наглядно проявляется при отрицательных температурах. Таким образом, изменение структурно-реологических характеристик битумов путем введения светлых нефтепродуктов дает возможность получения эмульсий с определенными физико-химическими характеристиками, необходимыми для использования ее в технологиях производства складируемых эмульсионно-минеральных смесей. В качестве пластификатора предлагается использовать светлые нефтепродукты с интервалом кипения 150-250 С, например нефрас марки С 4 150/200 (интервал кипения 150200 С) в количестве 2-3 , или керосиновую фракцию. Рецептура эмульсии для производства складируемых эмульсионно-минеральных смесей, кг/т битум БНД 90/130 630,5 пластификатор 19,5(плотность 1,17 г/см 3) 1,5 эмульгатор на основе производных алкилдиаминов 2,0 вода 346,5. Наличие эмульгатора в эмульсии повышает адгезионные свойства восстановленного битума, однако для того чтобы обеспечить равномерное покрытие щебня вяжущим, необходимо введение дополнительных веществ, модифицирующих поверхность минерального материала и способствующих активной адгезии битума. При приготовлении складируемых эмульсионно-минеральных смесей нами предлагается использовать адгезионную добавку на основе производных диаминов, оксиэтилированных алкилпропилендиаминов, полиаминов для модификации поверхности раздела битум - минеральный материал в виде раствора в светлых нефтепродуктах. Использование адгезионной добавки улучшает условия приготовления и степень обволакиваемости битумом зерен минерального материала, снижает слеживаемость смеси и улучшает ее удобоукладываемость. В качестве минерального материала рекомендуется использовать фракционированный щебень из прочных изверженных, осадочных или метаморфических горных пород, в частности граниты, диариты, габбро, базальты, диабазы и др. Эмульсионно-минеральные смеси получали путем предварительного смешения дозированных количеств щебня с адгезионной добавкой и последующего смешения с битумной эмульсией до полного и равномерного объединения всех компонентов. Перемешивание считали законченным, если все зерна минерального материала равномерно покрыты вяжущим и в готовой смеси не наблюдалось его отдельных сгустков. Результаты подбора компонентов складируемой эмульсионно-минеральной смеси приведены в табл. 3. 4 10500 1 2008.04.30 Таблица 3 Подбор компонентов эмульсионно-минеральной смеси для ямочного ремонта. Щебень гранитный 5-7,5 мм (100 вес. ч.) Адгезионная добавка (5 -ный Битумная Примечание раствор в нефрасе С 4 150/200) эмульсия 1 10 Неполное покрытие поверхности щебня 2 0,2 10 Неполное покрытие поверхности щебня 3 0,3 10 Избыток эмульсии 4 0,4 9 Небольшой избыток эмульсии 5 0,4 8 Хорошее покрытие 6 0,4 7,5 Хорошее покрытие 7 0,4 7 Хорошее покрытие 8 0,5 7 Хорошее покрытие 9 0,5 8 Хорошее покрытие Определено сцепление битумной пленки с поверхностью щебня при кипячении смеси в дистиллированной воде в течение 5 минут. Установлено, что адгезия битума для образца 1 составляет 75 и увеличивается для образца 6 до 90-100 ,7 и 8 - 85-90 , т.е. оптимальное содержание битумной эмульсии и адгезионной добавки для данного минерального материала составляет 7,5 и 0,4 вес.ч. соответственно. Определение физико-механических свойств асфальтобетона, приготовленного из эмульсионно-минеральной смеси, проводили в соответствии с СТБ 1115-98 и определяли следующие характеристики 20, в 20 - пределы прочности асфальтобетона при сжатии соответственно сухих и водонасыщенных образцов при 20 С, МПа в.д.20 - предел прочности асфальтобетона при сжатии водонасыщенных образцов при длительном водонасыщении при 20 С, МПа Кв - коэффициент водостойкости асфальтобетона Кв.д. - коэффициент водостойкости асфальтобетона при длительном водонасыщении слеживаемость. Формование образцов производилось в одиночных формах комбинированным методом вибрированием с пригрузом 0,03 МПа с доуплотнением - прессованием под давлением 20 МПа в соответствии с п. 5.3 СТБ 1115-98. Уплотнение образцов из холодных смесей, испытываемых на слеживаемость, осуществляли в специальных цилиндрических формах диаметром 71,4 мм с двумя вкладышами в соответствии с 5.4 СТБ 1115-98. Для исследования физико-механических характеристик были приготовлены эмульсионно-минеральные смеси по следующим рецептурам (табл. 4). Битумная эмульсия и адгезионная добавка в виде 5 -ного раствора в нефрасе вводились сверх 100 минеральной части смеси. Таблица 4 Рецептуры эмульсионно-минеральных смесей Фракционный состав Остаточный битум из Адгезионная добавка,п/п щебня, мм эмульсии,1 4-5 0,40 2,0 2 4-5 0,77 2,6 3 4-5 0,55 3,1 4 4-5 0,40 4,0 5 4-5 0,20 5,0 6 4-5 0 6,3 7 5-7,5 0,68 5,0 8 5-10 0,60 4,7 9 2,5-5 0,77 4,0 5 10500 1 2008.04.30 Прочностные характеристики и коэффициенты водостойкости асфальтобетона, приготовленного из эмульсионно-минеральной смеси по приведенным рецептурам, представлены в табл. 5. Таблица 5 Влияние состава эмульсионно-минеральных смесей на прочностные характеристики асфальтобетона Предел прочности при сжатии, МПа Коэффициент водостойкости Состав 20 в 20 в.д.20 Кв Кв.д. 1 0,25 0,20 0 0,80 0 2 0,28 0,22 0,10 0,80 0,25 3 0,35 0,29 0,11 0,83 0,31 4 0,58 0,49 0,45 0,84 0,77 5 0,52 1,44 0,32 0,85 0,61 6 0,55 0,47 0,23 0,85 0,41 7 0,47 0,39 0,24 0,83 0,68 8 0,44 0,32 0,22 0,84 0,65 9 0,66 0,55 0,33 0,84 0,77 Из приведенных данных видно, что составы полученных холодных асфальтобетонов,приготовленных на минеральном материале фракций 5-7,5 5-10 2,5-5 мм с использованием адгезионной добавки, характеризуются высокими значениями коэффициента водостойкости, в том числе и при длительном водонасыщении, превышающими требования СТБ 1115-98. При малом содержании битума (составы 1-3) коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении недостаточен. Это же наблюдается и в отсутствии адгезионной добавки (состав 6) в рецептуре смеси даже при высоком содержании битума (6,3 ). Влияние содержания вяжущего в эмульсионно-минеральной смеси, приготовленной на щебне фракции 5-7,5 мм, на ее слеживаемость приведено в табл. 6. Таблица 6 Влияние содержания вяжущего в смеси на слеживаемость эмульсионно-минеральной смеси Содержание вяжущего,Слеживаемость, количество ударов Фракционированный гранитный щебень 5-7,5 мм 2 2 3 4 4 5 5 8 6 9 7 10 Щебень непрерывного зернового состава 0-10 мм 4 6,2 10 Из приведенных данных видно, что оптимальные характеристики достигаются при содержании вяжущего 4-5 . Введение дополнительного количества вяжущего приводит к увеличению слеживаемости смеси. Эмульсионно-минеральная смесь непрерывного зернового состава, приготовленная в соответствии с требованиями 4, является неудобоукладываемой, так как ее слеживаемость значительно превышает нормируемые показатели. Таким образом, существует оптимум изученных физико-механических свойств эмульсионно-минеральной смеси прочности, водонасыщения и слеживаемости, определяемый содержанием битума, выделенного из эмульсии, адгезионной добавки, а также фракционным составом используемого минерального заполнителя. 6 10500 1 2008.04.30 На основании проведенных исследований было установлено, что оптимальные физико-механические свойства эмульсионно-минеральных смесей и холодного асфальтобетона на их основе достигаются при использовании для их производства фракционированного кубовидного гранитного щебня фракции 5-7,5 мм, адгезионной добавки, модифицирующей поверхность минерального материала, на основе оксиэтилированных алкилэтилендиаминов в виде раствора в светлых нефтепродуктах (нефрас марки С 4 150/200 Новополоцкого нефтеперерабатывающего завода) и битумной эмульсии, приготовленной на битуме, пластифицированном нефрасом марки С 4 150/200. Пример приготовления эмульсионно-минеральной смеси. Рецептура складируемой эмульсионно-минеральной смеси Щебень фракции 5-7,5 мм 100 вес. ч. Адгезионная добавка на основе производных алкилпропилендиаминов(5 -ный раствор в нефрасе) 0,4 вес.ч. Битумная эмульсия 7,5 вес.ч. По данной рецептуре была изготовлена экспериментальная партия складируемой эмульсионно-минеральной смеси и проведены ее испытания. В качестве исходных материалов применялись узкофракционированный кубовидный щебень фракции 4-6,3 мм, приготовленный дроблением гранитного щебня (Микашевичи) на хозрасчетном производственном участке(ХПУ) Центр ПРСО Минскоблдорстрой битумная эмульсия, выпущенная на пилотной установкеРНТЦ Химия в строительстве ИОНХ НАН Беларуси с синтезированным эмульгатором 1 на основе солей четвертичных аммониевых оснований адгезионная добавка на основе оксиэтилированных алкилэтилендиаминов. Рецептура битумной эмульсии для приготовления складируемой ЭМС Водная фаза Расход, кг/т эмульсии Эмульгатор 1 10 3(плотность 1,17 г/см ) 0,95 Вода 389,05 Битумная фаза Битум БД 90/130 582,0 Пластификатор 18,0 Примечание в качестве пластификатора использован нефрас марки С 4 150/200 Новополоцкого нефтеперерабатывающего завода. Условия приготовления и коллоидно-химические характеристики битумной эмульсии представлены в табл. 7. Таблица 7 Условия приготовления и характеристики битумной эмульсии,полученной с использованием эмульгатора на основе солей четвертичных аммониевых оснований Условия приготовления Расход эмульгатора, кг/т Расход НС (,17 г/см 3), кг/т рН водной фазы Температура водн. фазы, С Температура битумной фазы, С Характеристики эмульсии Содержание водной фазы,Остаток на сите,0,63 мм 0,16 мм Индекс распада Псевдовязкость, град. Энглера Адгезия,7 10500 1 2008.04.30 Эмульсионно-минеральную смесь готовили путем предварительного смешения дозированных количеств щебня с адгезионной добавкой и последующего смешения с битумной эмульсией до полного и равномерного объединения всех компонентов. После приготовления смесь складировалась в полиэтиленовых мешках для проведения дальнейших испытаний. Результаты определения физико-механических показателей экспериментальной партии эмульсионно-минеральных смесей для ямочного ремонта представлены в табл. 8. Таблица 8 Физико-механические характеристики экспериментальной партии эмульсионно-минеральной смеси Наименование показателей Средняя плотность асфальтобетона, г/см 3 Предел прочности при сжатии после прогрева при 20 С, МПа Набухание,по объему Коэффициент водостойкости после прогрева, не менее Слеживаемость, по числу ударов Норма по нормативным документам Результаты РД 0219.1.09 для смесей,испытаний СТБ 1033-96 используемых при температуре от 5 до -5 С 2,25 Из данных табл. 8 видно, что экспериментальная партия складируемой эмульсионноминеральной смеси соответствует требованиям СТБ 1033-96 для холодного асфальтобетона, приготавливаемого с использованием жидких битумов, по показателям набухание и слеживаемость и РД 0219.1.09 по показателям предел прочности при сжатии при 20 С и коэффициент водостойкости. После 7 суток вызревания без упаковки смесь не слеживается и сохраняет удобоукладываемость. Источники информации 1. Р. , . Холодные покрытия, ноу-хау и изобретения//629,апрель, 1986. 2. 3 аявка Франции 2577566, МПК 09 3/24, 1986. 3. РД 0219.1.09-99. Дорожные технологии на основе катионных битумных эмульсий. 4.02/34836 А 1. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8