Модифікований полімером бітум зі зшиваючим агентом і способи одержання

Реферат: Запропонований спосіб одержання зшитого, модифікованого полімером бітуму. Спосіб включає додавання до бітуму зшиваючого агента перед додаванням зшиваного полімеру і кислоти. Бітум, одержаний розкритим способом, виявляє поліпшені властивості, такі як властивості, виміряні методом визначення пружного відновлення при повзучості (MSCR). UA 108230 C2 (12) UA 108230 C2 UA 108230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомі різні модифіковані полімерами бітумні композиції для дорожніх покриттів і покрівельних покриттів і способи одержання різних модифікованих полімерами бітумів. Ступінь, до якого полімер поліпшує властивості бітумів, залежить від сумісності полімеру і бітуму, наприклад, полімеру, який не відділяється від суміші бітуму і полімеру в процесі зберігання. Високо сумісні або суміщені полімери більш ефективно забезпечують поліпшення властивостей. Використаний широкий ряд добавок з метою "зшивання" полімерів і бітумів, внаслідок чого суміші надається сумісність. Наприклад, сірка є добре відомим зшиваючим агентом (патент США № 4145322 і патент США № 4242246). Додавання спочатку полімеру до бітуму, а потім змішування і після цього додавання зшиваючого агента є стандартним методом. У деяких випадках спочатку до бітуму додають сірку, а потім додають полімер до бітуму і сірки (патент США № 5672642 і патент США № 7037961). У деяких випадках сірку додають до однієї частини бітуму, полімер додають до окремої частини бітуму, а певну порцію двох фракцій послідовно об'єднують (патентна заявка США № 12/242579). Бітум, модифікований і зшиваним полімером, і поліфосфорною кислотою, і способи одержання різних модифікованих бітумних композицій, в яких першим модифікатором, що додаються до бітуму, є або полімер, або фосфорна кислота, включає патент США № 5880185; патент США № 6011095; патент США № 7495045 і патентна заявка США № 11/809086. Такий порядок додавання визнаний в даній галузі і приводить до одержання рентабельного модифікованого бітуму з прийнятними реологічними властивостями. КОРОТКИЙ ВИКЛАД СУТІ ВИНАХОДУ Даний винахід стосується способу одержання зшитого, модифікованого полімером бітуму. Спосіб включає спочатку нагрівання бітуму. Потім додають зшиваючий агент до нагрітого бітуму, і бітум і зшиваючий агент змішують з одержанням суміші бітум-зшиваючий агент. Потім до суміші бітум-зшиваючий агент додають зшиваючий полімер і кислоту. Зшиваючий полімер і кислоту можна додавати послідовно, незалежно від порядку введення. Зшиваючий полімер і кислоту також можна додавати одночасно. Незалежно від порядку введення, зшиваючий полімер і кислоту змішують з сумішшю бітум-зшиваючий агент з одержанням зшиваючого, модифікованого полімером бітуму. Було встановлено, що даний порядок введення, коли першим додають зшиваючий агент, приводить до одержання зшитого, модифікованого полімером бітуму з поліпшеними властивостями. Даний винахід також стосується асфальтової композиції для дорожнього покриття і бітумного покрівельного матеріалу, що включає зшитий, модифікований полімером бітум, одержаний вищезгаданим способом. Даний винахід також стосується способу одержання матеріалу дорожнього покриття. Спосіб включає спочатку одержання зшитого, модифікованого полімером бітуму, одержаного описаним вище способом. Модифікований бітум потім змішують з водою і емульгатором при температурі навколишнього середовища з одержанням бітумної емульсії. Емульсію потім розподіляють до бажаної товщини, а потім емульсію руйнують. КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ На фіг. 1 показані об'єднані вимоги і дані згідно з прикладами 1, 2 і 3 для бітумних складів, для порівняння впливу порядку введення добавок і впливу модифікаторів на властивості, визначені методом пружного відновлення при повзучості (MSCR). ДОКЛАДНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Способи одержання поліпшеної зшитої, модифікованої полімером бітумної композиції, що включає бітум, який зшиває полімер, що зшиває агент і кислоту, представлені в цьому документі. Несподівано було встановлено, що коли зшиваючий агент додають і змішують з бітумом до введення полімеру і кислоти, спостерігається поліпшення щонайменше наступних властивостей: (а) збільшується % відновлення, виміряний методом пружного відновлення при повзучості (MSCR), що вказує на поліпшений пружний відгук асфальту, і (b) пружність, що не відновлюється, виміряна методом MSCR, звичайно знижується, вказуючи на поліпшену стійкість до колієутворення. Дані поліпшення досягнуті при використанні тієї ж кількості зшиваючого агента, що і в способі, коли першим модифікатором, що додається до бітуму, є поліфосфорна кислота. Таким чином, оскільки використовується та ж кількість зшиваючого агента, спосіб за винаходом забезпечує поліпшені властивості асфальту без погіршення будь-яких економічних або експлуатаційних параметрів, пов'язаних з додаванням великих кількостей (1 % або вище) зшиваючого агента. Поліпшення властивостей, що спостерігається, коли зшиваючий агент додають спочатку в полімер, є дивними, оскільки будь-який фахівець в даній галузі може чекати, що дана послідовність введення приведе до поглинання зшиваючого агента або взаємодії до того, як доданий полімер, і таким чином недоступність для зшивання полімеру. 1 UA 108230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином, в деяких варіантах здійснення винаходу модифікований полімером бітум одержують нагріванням бітуму і додаванням до бітуму зшиваючого агента. Бітум і зшиваючий агент змішують разом з одержанням суміші бітум-зшиваючий агент. До даної суміші бітумзшиваючий агент потім додають зшиваний полімер і кислоту. ВИЗНАЧЕННЯ Якщо не визначено інакше, всі технічні і наукові терміни, використані в цьому документі, мають ті ж значення, що звичайно маються на увазі фахівцями в даній галузі, якої даний винахід стосується. У ступені, в якому будь-яке патентне або не патентне посилання, що введене в цей документ або зустрічається десь ще, суперечить суті, розкритій в цьому документі, потрібно розуміти, що дана суть є керуючою. Якщо не указано інакше, то, як використано в цьому документі, термін "комбінація" або фраза "їх комбінації" означає "елементи множини або підмножини, ті, що розглядаються не беручи до уваги їх порядок". Наприклад, коли перелічують множину позицій А, В і С, їх комбінаціями будуть А і В; А і С; В і С і А, В і С безвідносно їх порядку. У ступені, в якому позиції можуть бути "хімічно об'єднані", комбінація тут не виключає комбінації, що зустрічається, але хімічне об'єднання не вимагає, щоб позиції були в комбінації. Як використано в цьому документі, термін "емульсія", що використовується в контексті "емульгований бітум", стосується дисперсії надзвичайно невеликих частинок бітуму, наприклад, частинок розміром приблизно від 5 мікрометрів до приблизно 10 мікрометрів в діаметрі або менше, в безперервній водяній фазі, яка оброблена емульгуючим агентом. Як використано в цьому документі, скорочення "RAP" стосується "бітумного дорожнього покриття" (recycled asphalt pavement), що повторно використовується, також відомого фахівцям в даній галузі як "дорожнє покриття з регенерованого бітуму" (reclaimed asphalt pavement). Як використано в цьому документі, скорочення "RAS" стосується "лускатої покрівлі з бітуму" (recycled asphalt shingles), що повторно використовується, також відоме фахівцям в даній галузі як "лускате покриття з регенерованого бітуму" (reclaimed asphalt shingles). Як використано в цьому документі, термін "гумова крихта" стосується гумових частинок, які мають розмір менше приблизно 5 мм і переважно мають розмір менше приблизно 2 мм. Будьякий фахівець в даній галузі зрозуміє, що гумова крихта може бути одержана, наприклад, розмелюванням використаних вантажних шин або автомобільних шин або з будь-якого іншого відповідного джерела подрібненої гуми. Як використано в цьому документі, вираз "тепла дорожня бітумна суміш" стосується бітумного в'яжучого, що містить добавку, яка може бути відповідним чином змішана із заповнювачем і укладена при температурах щонайменше на 15 °C нижче, ніж по суті аналогічна дорожня асфальтова суміш із заповнювачем, яка не містить добавки або їх комбінацій. Як використано в цьому документі, вираз "масовий процент" або «% мас.» стосується процента по масі матеріалу з розрахунку на масу кінцевої композиції, яка звичайно називається в цьому документі процентом по масі зшитого, модифікованого полімером бітуму. Потрібно зазначити, що сполуки або хімікати, додані до бітуму, можуть взаємодіяти з іншими хімічними складовими в бітумі або тими, що додані до нього з утворенням одного або більше різних хімікатів або сполук. Однак загальноприйнятою фахівцями в даній галузі практикою є описувати композицію модифікованого асфальту в термінах інгредієнтів і кількостей, доданих до бітуму, навіть якщо частина або весь доданий компонент може взаємодіяти і утворювати один або більше різних хімікатів або сполук. А. АСФАЛЬТ Асфальт визначений стандартом ASTM, як в'яжучий матеріал від темно-коричневого до чорного кольору, в якому основними складовими є бітуми, які зустрічаються в природі або які одержують при нафтопереробці. Асфальти характерним чином містять вуглеводень з дуже високою молекулярною масою, які називаються асфальтенами. Вони по суті розчинні в дисульфіді вуглецю і ароматичних і хлорованих вуглеводнях. Бітум є родовим терміном, визначеним стандартом ASTM, як клас в'яжучих речовин від темно-коричневого до чорного кольору, природних або одержаних, що складаються головним чином з високомолекулярних вуглеводнів, з яких типовими є асфальти, бітуми, пеки й асфальтени. ASTM додатково класифікує асфальти або бітумінозні матеріали як тверді, напівтверді або рідкі речовини, використовуючи тест на проникність для оцінки консистенції або в'язкості. За даною класифікацією твердими матеріалами є ті, які мають проникність не більше 1 міліметра при навантаженні 100 грам, прикладеної на 5 секунд при 25 °C, а напівтвердими є ті, які мають проникність більше 1 міліметра при навантаженні 50 грам, прикладеної на 5 секунд при 25 °C. Напівтверді і рідкі асфальти переважають в сучасній комерційній практиці. 2 UA 108230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Асфальт має в'язкісні властивостями, що дозволяє йому текти, і пружними властивостями, що забезпечує опір протіканню. При підвищених температурах в'язкісні властивості домінують, і асфальт прагне до протікання або деформації. При нижчих температурах домінують пружні властивості, і асфальт чинить опір протіканню. Всі типи асфальту, як що зустрічається в природі, так і одержаного синтетичним шляхом, підходять для використання в даному винаході. Асфальт, який зустрічається в природі включає асфальтовий природний бітум, тринідадський бітум і т. п. Асфальт синтетичного виробництва часто є побічним продуктом процесів нафтопереробки, і пояснювальні приклади включають продутий бітум, асфальтову суміш, крекований або залишковий асфальт, нафтовий бітум, пропановий бітум, залишковий бітум, термічний бітум і т. д. Приклади асфальту, який часто називають по місцю його одержання, включають Wyoming Sour, Saudi Heavy, West Texas intermediate, California Valley, Venezuelan, and Canadian. Хімія асфальту може бути описана на молекулярному рівні, а також на міжмолекулярному (мікроструктурному) рівні. На молекулярному рівні асфальт являє собою суміш складних органічних молекул, інтервал молекулярної маси яких коливається від декількох сотень до декількох тисяч. Хоча дані молекули визначають експлуатаційні властивості асфальту, властивості асфальту в значній мірі визначається мікроструктурою асфальту, яка являє собою мікроструктуру диспергованого полярного текучого середовища. Зокрема, безперервних трьохмірних асоційованих полярних молекул (асфальтенів), диспергованих в текучому середовищі з неполярних або відносно низькополярних молекул (мальтенів). Всі дані молекули здатні утворювати біполярні міжмолекулярні зв'язки різної міцності. Оскільки дані міжмолекулярні зв'язки слабші за зв'язки, які тримають основні органічні вуглеводневі складові асфальту разом, вони будуть розриватися першими і регулювати експлуатаційні властивості асфальту. Тому, фізичні властивості асфальту є прямим наслідком формування, розриву і перетворення даних міжмолекулярних зв'язків або інших властивостей, пов'язаних з молекулярними надструктурами. Результатом є матеріал, який поводиться як пружний по ефектах в'язкості, тому що різні частини полярної молекулярної сітки можуть переміщуватися одна відносно одної внаслідок дисперсії в текучих неполярних молекулах. Бітумні в'яжучі найчастіше характеризуються фізичними властивостями, які вказують, як вони поводяться як складова композиція дорожнього покриття або гаряча асфальтова суміш. Приклади відповідних фізичних властивостей включають довговічність і реологію, і деякі методи випробувань на різні аспекти даних властивостей включають наступні: випробування на теплове старіння в тонкій плівці (AASHTO 179 і ASTM D 1754), випробування на теплове старіння в тонкій плівці при котінні (AASHTO Т 240 і ASTM D 2872), випробування на старіння під тиском (AASHTO PP1), випробування проникаючої здатності (AASHTO Т 49 і ASTM D 4), визначення температури розм'якшення (AASHTO Т 53 і ASTM D 36), визначення абсолютної в'язкості при 60 °C (AASHTO Т 202 і ASTM D 2171), визначення кінематичної в'язкості при 135 °C (AASHTO Т 201 і ASTM D 2170), визначення тягучості (AASHTO Т 51 і ASTM D113), випробування на ротаційному віскозиметрі (AASHTO TP 48 і ASTM D 4402), випробування на реометрі в режимі динамічного зсуву (AASHTO TP 5 і ASTM D 7175), випробування на реометрі в режимі вигину (AASHTO TPl і ASTM D 6648), оцінка тенденції до відділення полімеру від модифікованого полімером бітуму (ASTM D 7173), і пряме випробування при розтягуванні (AASHTO TP 3 і ASTM D 6723). Замість звернення до обширного переліку фізичних властивостей, фахівці в даній галузі звичайно поділяють бітумні в'яжучі по одній або декільком системам класифікації, таким як система класифікації по здатності до проникнення, система класифікації по в'язкості і система класифікації по експлуатаційному поводженню дорожнього покриття (AASHTO M 320 і ASTM D 6373). Типи по здатності до проникнення перераховані у вигляді інтервалу одиниць проникнення, визначених згідно з AASHTO M 20 і ASTM D 946. Клас 40-50 являє собою самий твердий клас, 60-70, 85-100 і 120-150 класи звичайно застосовуються в США, а клас 200-300 являє собою самий м'який клас і звичайно застосовується для холодного клімату, такого як в Північній Канаді. Класифікація по в'язкості здійснюється на безпосередньо поставлених бітумних в'яжучих (АС класифікація) або на зістарених залишкових зразках (AR класифікація) згідно з AASHTO M 226 і ASTM D 3381. Типові класи для гарячих асфальтових сумішей в США представляють AC-10, AC-20, AC-30, AR-4000 і AR 8000. Не так давно розроблений клас по експлуатаційній поведінці дорожнього покриття (PG) звичайно вважається більш точним і таким, що більш повно характеризує бітумні в'яжучі для застосування в дорожніх покриттях з гарячих асфальтових сумішей. Класифікація по експлуатаційних властивостях дорожнього покриття заснована на ідеї про те, що властивості бітумного в'яжучого повинні бути пов'язані з умовами, при яких воно використовується. Тому, система дорожнього покриття Superpave використовує 3 UA 108230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 декілька випробувань, які проводять згідно з AASHTO PP6 при температурах, які залежать від відповідних кліматичних умов. Класифікація по експлуатаційних властивостях дорожнього покриття Superpave виражається двома числами - перше представляє середню з семиденної максимальної температури дорожнього покриття (°С), а друге представляє мінімальну температуру для конструкції дорожнього покриття, яка на нього впливає (°С). Таким чином, PG 58-22 призначене для застосування, де середня семиденна максимальна температура дорожнього покриття становить 58 °C, а очікувана мінімальна температура дорожнього покриття становить -22 °C. Бітумні в'яжучі, які звичайно застосовують в США, мають середню семиденну максимальну температуру дорожнього покриття, яка лежить в інтервалі від приблизно 50 °C до приблизно 80 °C, і очікувану мінімальну температуру дорожнього покриття, яка лежить в інтервалі від приблизно 10 °C і приблизно 40 °C. Потрібно зазначити, що загалом, PG в'яжучі, які відрізняються на вимоги до найвищої і найнижчої температури на 90 °C або більше, звичайно є результатом деякого виду модифікації, щоб поліпшити деякі характеристики, такі як опір високотемпературної теплової деформації і ("повзучість" або "витікання"), низькотемпературне розтріскування або обидва. В деяких районах інтенсивного дорожнього руху, навіть якщо очікувана середня семиденна максимальна температура дорожнього покриття становила 58 °C, асфальт PG-64-xx або PG-70-xx може бути вказаний для поліпшення стійкості до утворення колії (фахівці в даній галузі часто називають це "класом зниження підстрибування"). Крім того, випробування асфальту було проведене при температурі вище, ніж температура навколишнього середовища. Система класифікації Superpave була недавно розширена за рахунок додавання методу випробування на повзучість і відновлення при багаторазовому напруженні (MSCR, AASHTO TP 70 і ASTM D 7405). MSCR є протоколом стандартного реологічного випробування, при якому асфальт піддають впливу постійного навантаження протягом певного проміжку часу на реометрі динамічного зсування, потім дозволяють відновитися при нульовому навантаженні протягом певного проміжку часу. Процент відновлення, виміряний MSCR, визначає еластичний відгук бітумних в'яжучих. Невідновлювана пружність (Jnr), являє собою залишкову деформацію зразка після циклу повзучості і відновлення, розділену на прикладене напруження в кПа. Випробування проводять при прийнятих температурах навколишнього середовища, аналогічних класифікації Superpave, тобто 58 °C, 64 °C, 70 °C і т. д. Для поліпшеного стійкості до утворення колії в областях посиленого дорожнього руху рекомендована більш низька J nr, а не більш високотемпературна марка. Наприклад, PG 64S-xx вказує на стандартну марку з J nr