Патент на изобретение №2243245

(54) БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к катионным битумным эмульсиям, которые используются в качестве вяжущего материала для устройства и ремонта дорожного покрытия, и могут быть использованы для шероховато-поверхностной обработки и для ямочного ремонта дорожного покрытия. Битумная эмульсия по изобретению включает, мас.%: битум 66-69, соляная или уксусная кислота 0,20-0,24, аминный эмульгатор 0,3-3,0, латекс 2,0-6,0, вода – остальное. Латексом является катионоактивная водная дисперсия на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64%, аминный эмульгатор имеет следующую общую формулу: RCH(OH)CH₂NHR¹NH₂, где R – алифатический радикал С_20-26 или С_26-28, R¹ – (СН₂)₆– или -(CH₂CH₂NH)_nCH₂СН₂, где n=1,2. Битумная эмульсия обеспечивает улучшение адгезионных свойств, в том числе прочное сцепление пленки вяжущего с минеральными материалами как кислых, так и основных пород, обеспечивает повышение растяжимости и эластичности вяжущего. Долговечность дорожного покрытия с шероховато-поверхностной обработкой, осуществляемой с использованием вяжущего по изобретению, повышается в 2-2,5 раза. 4 табл.

Изобретение относится к катионным битумным эмульсиям, используемым в качестве вяжущего материала для устройства и ремонта дорожного покрытия, и могут быть использованы для шероховато-поверхностной обработки и для ямочного ремонта дорожного покрытия.

Известны катионные битумные эмульсии, включающие нефтяной битум, эмульгатор в виде поверхностно-активных веществ (ПАВ) типа аминов или диаминов, или полиаминов, или четвертичных аммониевых солей, воду и кислоту – соляную или уксусную, или ортофосфорную (см. действующий ГОСТ 18659-81 “Эмульсии битумные дорожные”, утвержденный Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства 31.12.1980, №218, с.3).

Известна битумная эмульсия для дорожного строительства, включающая битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду, причем в качестве аминного эмульгатора она содержит четвертичное аммониевое соединение общей формулы

где R₁ – радикал алифатического углеводорода с содержанием атомов углерода 16-18;

R₂ и R₃ – радикал СН₃ или С₂Н₅, или атом водорода;

R₄ – радикал СН₃ или С₂Н₅-,

А – анион СН₃SO₄-, C₂H₅SO₄-,

х+y10,

и по крайней мере один компонент из группы:

алкоксилированный алкилфенол, алкоксилированный алканол с содержанием в цепи 10-16 атомов углерода и алкоксилированный алкиламин с числом алкоксилирования 3-8 и/или по крайней мере компонент из группы алкиламин, содержащий в цепи 10-16 атомов углерода и четвертичное аммониевое соединение, содержащее в цепи 8-22 атомов углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 45-75, соляная или уксусная кислота 0,03-5,0, четвертичное аммониевое соединение 0,05-4,8, указанный компонент из группы: алкоксилированный алкилфенол, алкоксилированный алканол и алкоксилированный алкиламин 0,01-3,0, указанный компонент из группы:

алкиламин и четвертичное аммониевое соединение 0,01-3,0, вода – остальное (см. авторское свидетельство СССР №1359281, МПК C 08 L 95/00, С 04 В 26/26, опубл. 15.12.1987 г., бюл. №46).

Битумная эмульсия обладает повышенной стабильностью при хранении.

Недостатком известной битумной эмульсии является то, что она, обладая высокой степенью обволакивания, имеет низкий показатель сцепления пленки вяжущего с минеральным материалом, т.е. показатель адгезии составляет не более 50% покрываемой площади. Для повышения показателя адгезии требуется дополнительное использование специальных добавок, так называемых адгезивов.

Наиболее близкой к заявляемой является катионоактивная битумная эмульсия для дорожного строительства, включающая битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор и воду, причем в качестве аминного эмульгатора она содержит гидроксилсодержащий алифатический полиамин общей формулы RCH(OH)CH₂NHR¹NH₂, где R – алифатический радикал С_20-26 или С_26-28, a R¹ – -СН₂)₆– или -(CH₂CH₂NH)_nCH₂CH₂-, где n = 1, 2, при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум 45 – 65, эмульгатор 0,1 – 4, соляная или уксусная кислота 0,05 – 0,6, вода – до 100% (см. патент РФ №2184753 “Катионоактивная эмульсия для дорожного строительства”, МПК C 08 L 95/00, С 04 В 26/26, приоритет от 19.02.2001, опубл. 10.07.2002).

Известная катионоактивная битумная эмульсия благодаря своей жидкой консистенции обладает хорошим показателем адгезии (т.е. смачиваемостью и сцеплением) пленки вяжущего с кислым минеральным материалом и не обеспечивает хорошей адгезии с основным минеральным материалом.

Недостатком известной катионоактивной битумной эмульсии является также то, что она не может быть применена для шероховато-поверхностной обработки дорожного покрытия в виду невозможности распределения ее тонким ровным слоем из-за недостаточной растяжимости остаточного вяжущего, выделенного из битумной эмульсии.

Техническим результатом заявляемого технического решения является улучшение показателя сцепления (адгезии) пленки вяжущего как с кислым, так и основным минеральным материалом при шероховато-поверхностной обработке дорожного покрытия, повышение растяжимости и эластичности остаточного вяжущего, выделенного из эмульсии, а также повышение долговечности дорожного покрытия.

Заявляемый технический результат достигается тем, что битумная эмульсия для дорожного строительства, включающая битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор в виде гидроксилсодержащего алифатического полиамина общей формулы RCH(OH)CH₂NHR¹NH₂, где R – алифатический радикал С_20-26 или С_26-28, R¹– (СН₂)₆– или -(CH₂CH₂NH)_nCH₂CH₂-, где n = 1,2, и воду, согласно изобретению дополнительно содержит латекс, являющийся катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум 66-69

Соляная кислота 0,20-0,24

Аминный эмульгатор 0,3-3,0

Латекс 2,0-6,0

Вода Остальное

Введение в битумную эмульсию латекса, являющегося катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64% и представляющего собой эмульсию синтетического каучука, в заявляемых пределах позволяет усилить действие эмульгатора и одновременно повысить адгезионные свойства битумной эмульсии, участвующей в процессе шероховато-поверхностной обработки кислого и основного минерального материала дорожного покрытия, за счет обеспечения полного химического сродства битумной эмульсии и минерального материала как кислого, так и основного характера, что в свою очередь повышает долговечность дорожного покрытия.

Кроме того, латекс, являющийся катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64%, повышает пластичность остаточного вяжущего, выделенного из битумной эмульсии, а следовательно, его растяжимость, что позволяет равномерно распределить битумную эмульсию на дорожном полотне тонким слоем.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как “новизна”.

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как “изобретательский уровень”.

Условие патентоспособности “промышленная применимость” подтверждается примерами конкретных составов битумной эмульсии с приведением необходимых характеристик, изложенных в разделе “Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения”.

Для приготовления битумных эмульсий использовалось следующие исходные компоненты.

1. Битум.

Для приготовления эмульсий использовался битум марки БНД 90/130 со следующими физико-механическими характеристиками, которые приведены в таблице 1. По физико-механическим показателям исходный битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.

2. Аминный эмульгатор.

Для приготовления эмульсии использовался аминный эмульгатор в виде гидроксилсодержащего алифатического полиамина общей формулы RCH(OH)CH₂NHR¹NH₂, где R – алифатический радикал С₂₀–₂₆ или С₂₆–₂₈, R¹-(СH₂)₆– или -(CH₂CH₂NH)_nCH₂CH₂-, где n=1,2, характеристика которого представлена в таблице 2.

3. Латекс.

В качестве латекса, являющегося катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64%, использовался Бутанол NS 198 немецкой фирмы Basf.

Химическая характеристика – водная дисперсия на основе 64% полимера на основе бутадиена и стирола, 36% водной фазы.

Физические и химические свойства

Состояние – жидкость однородная, цвет белый, запах слегка ароматный, температура застывания 0°С, температура кипения 100°С, границы взрыва нет, плотность 0,95 г/см³, растворимость в воде – смешивается, рН =4,2-5,2, тип дисперсии – катионоактивная, диаметр частиц 0,1-2,5 мкм, вязкость 1600 mPa·S., морозостойкость – неморозостойкая.

4. Кислота.

Для приготовления эмульсий использовалась соляная кислота синтетическая техническая согласно ГОСТ 856-95 или уксусная кислота по ГОСТ 6968-76.

5. Вода.

Для приготовления эмульсий использовалась вода средней жесткости не выше 6 мг-экв/л.

Готовились составы битумных эмульсий, приведенные в примерах 1-3, применяемые для шероховато-поверхностной обработки (ШПО) дорожного покрытия, мас.%.

Пример 1.

Битум 66

Соляная кислота 0,2 (до рН=2,2)

Аминный эмульгатор 0,35

Латекс “Бутанол NS 198” 2,0

Вода Остальное

Пример 2.

Битум 66

Соляная кислота 0,2 (до рН=2,2)

Аминный эмульгатор 0,35

Латекс “Бутанол NS 198” 3

Вода Остальное

Пример 3.

Битум 66

Соляная кислота 0,2 (до рН=2)

Аминный эмульгатор 0,35

Латекс “Бутанол NS 198” 6,0

Вода Остальное

Битумные эмульсии готовились следующим образом.

1. Приготовление водной фазы. Водную фазу готовили поочередно в 2 баках, V=2000 л. Для этого набирали примерно 1200-1400 литров теплой воды с t°40-50°С.

Затем через мерник в этот же бак заливалось расчетное количество кислоты НСl и включали мешалку. Далее через мерник в этот же бак заливалось расчетное количество эмульгатора, уровень водной фазы доводился до 1800 литров, после чего смесь перемешивалась в течение 5-10 минут. По окончании перемешивания определялось рН водной вазы, которое составляло 2,0-2,4.

2. Обезвоживание и нагрев битума до заданной температуры (t° 140-150°С).

3. Смешение компонентов в коллоидной мельнице Rincheval. В коллоидную мельницу Rincheval последовательно по трубопроводу дозировались заранее подготовленная водная фаза эмульсии, битум и латекс, являющийся катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64%.

Далее путем совместного диспергирования в мельнице готовилась битумная эмульсия.

Физико-механические показатели битумной эмульсии различных составов для шероховато-поверхностной обработки дорожного покрытия приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3 заявляемая эмульсия обладает высокими показателями остаточного вяжущего, выделенного из эмульсии, а именно растяжимостью при 0°С, эластичностью при 25°С и при 0°С, а кроме того, высокими показателями сцепления пленки вяжущего с минеральными материалами (97-100% площади). Причем показатель сцепления с кислым минеральным материалом – гранитом – равняется 100%, в то время как в наиболее близком аналоге этот показатель составляет 82-100% площади. А показатель сцепления с переходными к основным минеральными материалами, такими как горнблендит, диорит, габбродиорит, составляет 97-100% площади, в наиболее близком аналоге сцепление с основными материалами отсутствует.

Заявляемая битумная эмульсия была испытана на автомобильных дорогах I-V категорий. Эмульсия готовилась на промышленной установке фирмы “Rincheval” и была использована для шероховато-поверхностной обработки (ШПО). Технические характеристики эмульсии приведены в таблице 4.

Прогнозируемое увеличение долговечности дорожного покрытия, подвергнутого шероховато-поверхностной обработке с использованием заявляемой битумной эмульсии, составляет 2-2,5 раза.

Результаты испытаний заявляемой битумной эмульсии на износостойкость по показателю мокрого истирания проб дорожного покрытия с шероховато-поверхностной обработкой, а также визуальное обследование покрытия, подвергнутого шероховато-поверхностной обработке, после года его эксплуатации в условиях уральского климата подтверждают увеличение долговечности дорожного покрытия с использованием заявляемой битумной эмульсии в 2-2,5 раза.

Формула изобретения

Битумная эмульсия для дорожного строительства, включающая битум, соляную или уксусную кислоту, аминный эмульгатор в виде гидроксилсодержащего алифатического полиамина общей формулы

RCH(OH)CH₂NHR¹NH₂,

где R – алифатический радикал С_20-26 или С_26-28;

R¹ – (СН₂)₆ – или -(CH₂CH₂NH)_nCH₂СН₂-, где n = 1,2,

и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит латекс, являющийся катионоактивной водной дисперсией на основе бутадиена и стирола с содержанием сухого вещества 64% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Битум 66-69

Соляная или уксусная кислота 0,20-0,24

Аминный эмульгатор 0,3-3,0

Латекс 2,0-6,0

Вода Остальное