PL173615B1 - Emulsja bitumiczna - Google Patents

Abstract

1. Emulsja bitumiczna typu kationowego, zawierajaca bitum, wode, emulgator kationowy, zageszczacz i ewentualnie dodatek rozbijajacy, znamienna tym, ze jako zageszczacz zawiera co najmniej jeden asocjacyjny zageszczacz typu niejonowego wybra- ny z grupy obejmujacej A) hydrofobowo zmodyfikowane oksyetylenowane uretany o wzorze w którym R i R' sa takie same lub rózne i kazdy z nich oznacza prosta lub rozgaleziona grupe alkilowa zawierajaca 12-18 atomów wegla, R '' oznacza nasycony lub nienasycony lancuch weglowodorowy o 7-36 atomach wegla, z których czesc moze byc zamknieta tworzac w nim pierscien, x oznacza liczbe 90-500, zas n oznacza liczbe calkowita 1-4, oraz B) d ¡stearyniany polietylenoglikolu, w ilosci 0,05-1% wagowo w stosunku do masy emulsji bitumicznej. PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest emulsja bitumiczna typu kationowego, zawierająca zagęszczacz. Ta emulsja bitumiczna znajduje zastosowanie w budowie dróg, pokrywaniu dachów i impregnacji wodoodpornej.

Przy wytwarzaniu asfaltu mieszanego na zimno z kruszywem (agregatem) oraz kationowej emulsji bitumicznej częstym problemem jest to, że emulsja odcieka z kruszywa, co daje bardzo cienką warstwę spoiwa bitumicznego na jego powierzchni. Problem ten sprawia szczególny kłopot w przypadku pracy z mieszankami opartymi na niesortowanym kruszywie. Cienkie warstwy spoiwa dają w efekcie słabą trwałość mieszanki, a mieszanka staje się wrażliwa na procesy starzenia.

Szereg różnych metod próbowano zastosować, by rozwiązać ten problem. Najczęstszy sposób polega na zmieszaniu małej ilości mączki kamiennej z emulsją bitumiczną, w celu zagęszczenia tej emulsji. Ujemną cechą tej metody jest jednak to, że emulsja rozbija się na kamieniach co daje mieszankę bardzo sztywną i trudną do rozpostarcia na drodze.

Inne metody zagęszczania emulsji polegają na zagęszczaniu fazy wodnej za pomocą dodatków, takich jak karboksymetyloceluloza, poliwinylopirolidon, metoksyceluloza, itd.

173 615

Jednak wszystkie te metody mają wadę, gdyż dodatek absorbuje wodę i ma negatywny wpływ na rozbijanie się emulsji.

Warunkiem wstępnym stawianym zagęszczaczom działającym w dodawanych emulsjach kationowych typu najbardziej rozpowszechnionego w przypadku bitumów, jest to, by były one niejonowe lub ewentualnie kationowe.

Inna metoda, którą stosowano przez długi okres czasu w przeszłości, polegała na stosowaniu emulsji anionowych, które można wytwarzać nadając im bardzo dużą lepkość przez odpowiedni dobór emulgatorów. Ten rodzaj emulsji nazywa się emulsjami wysokopłynnymi (high float emulsion). Niekorzystna cecha tych emulsji to ich bardzo wolne rozbijanie i z tego powodu nie nadają się one do stosowania w regionach, w których w^:st^<ępują częste deszcze (np. w Szwecji).

Według niniejszego wynalazku opracowano metodę, w której działanie zastosowanego zagęszczacza nakłada się z działaniem emulgatora na powierzchni kropel bitumu i tworzy sieć, która nadaje emulsji dużą pseudolepkość. Jednak sieć ta nie jest aż tak trwała, że chroni emulsję przed wypływaniem na powierzchnię kamienia by tworzyć grube warstwy. Zagęszczacz należy do grupy zwanej potocznie zagęszczaczami asocjacyjnymi.Takie zagęszczacze mają ogólną budowę hydrofobowo-hydrofilowo-hydrofobową. Działanie ich polega przede wszystkim na zwiększeniu lepkości fazy zewnętrznej w układach rozproszonych w celu zmniejszenia gęstości pomiędzy fazą rozproszoną a rozpraszającą (działanie zagęszczające), co stabilizuje emulsję. Zagęszczacze takie opisane są w publikacji Associative Thickeners and Their Rheologicallnfluence on Trade-Sale Formulations, J. E. Glass i in., Org. Coat. Polym. Sci. Proc., 47,1982, str. 498-502.

Zgodnie z wynalazkiem emulsja bitumiczna typu kationowego, zawierająca bitum, wodę, emulgator kationowy, zagęszczacz i ewentualnie dodatek rozbijający, charakteryzuje się tym, że jako zagęszczacz zawiera co najmniej jeden asocjacyjny zagęszczacz typu niejonowego wybrany z grupy obejmującej

A) hydrofobowo zmodyfikowane oksyetylenowane uretany o wzorze

O 0 0 O

II II II II

R-N-C-O-(CH₂CH₂O)x[-C-N-R'-N-C-O-(CH2CH₂O)x]n-C-N-R’ w którym R i R' są takie same lub różne i każdy z nich oznacza prostą lub rozgałęzioną grupę alkilową zawierającą 12-18 atomów węgla, R oznacza nasycony lub nienasycony łańcuch węglowodorowy o 7-36 atomach węgla, z których część może być zamknięta tworząc w nim pierścień, x oznacza liczbę 90-500, zaś n oznacza liczbę całkowitą 1-4, oraz

B) distearyniany polietylenoglikolu, w ilości 0,05-1% wagowo w stosunku do masy emulsji bitumicznej.

Korzystnie emulsja zawiera dodatek rozbijający dodany do niej w postaci emulsji wody w oleju, w której roztwór wodny substancji neutralizującej jest dyspergowany w ciągłej fazie olejowej.

Korzystnie emulsja zawiera substancję neutralizującą, wybraną z grupy obejmującej zasady organiczne, zasadowe sole kwasów organicznych lub nieorganicznych i wodorotlenki metali alkalicznych, które to zasady, sole i wodorotlenki są rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w oleju.

Korzystnie substancja neutralizująca jest dyspergowana w oleju mineralnym lub w rozpuszczalniku typu ciężkiej benzyny.

Stężenie zagęszczacza zależy z jednej strony od konkretnego zagęszczacza, z drugiej zaś strony od konkretnej emulsji bitumicznej. Właściwe stężenie ustala się w każdym konkretnym przypadku za pomocą serii prostych eksperymentów, przy zmiennych stężeniach zagęszczacza.

173 615

Emulsję bitumiczną według niniejszego wynalazku można wytworzyć przez zmieszanie zagęszczacza i standardowej emulsji bitumicznej typu kationowego, przy użyciu konwencjonalnych metod mieszania produktów bitumicznych.

Standardowe emulsje bitumiczne typu kationowego, przeznaczone do stosowania jako materiały wyjściowe dla wytwarzania emulsji bitumicznych według niniejszego wynalazku zawierają na ogół pozostałość bitumiczną w ilości 50-70% wagowych, obliczoną w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (materiału wyjściowego).

Emulgator stosowany w emulsjach bitumicznych, będących materiałem wyjściowym dla emulsji według niniejszego wynalazku, nie jest czynnikiem krytycznym. Przykładami emulgatorów występujących w emulsjach bitumicznych typu kationowego są np. dwuaminy tłuszczowe, czwartorzędowe związki amoniowe, oksyetylenowane aminy, amidoaminy i imidazoliny.

Zgodnie z korzystnym wykonaniem emulsji bitumicznej według niniejszego wynalazku, wspomniana emulsja zawiera dodany do niej dodatek rozbijający, w postaci emulsji wody w oleju, w której roztwór wodny substancji neutralizującej jest dyspergowany w ciągłej fazie olejowej.

Określenie substancja neutralizująca stosuje się w niniejszym tekście i w zastrzeżeniach dla określenia substancji, która - gdy jest dodana - wywiera neutralizujący wpływ na emulsję bitumiczną typu kationowego.

Substancję neutralizującą wybiera się korzystnie spośród grupy składającej się z zasad organicznych, soli zasadowych kwasów organicznych i nieorganicznych, zasadowych soli kwasów organicznych i nieorganicznych lub wodorotlenków metali alkalicznych, których zasady, sole lub wodorotlenki są rozpuszczalne w wodzie, lecz nieznacznie rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w oleju.

Przykładami takich substancji są zasady organiczne, takie jak aminy niskocząsteczkowe, np. jednoetanoloamina, dwuetanoloamina, trójetanoloamina i aminopropanol; zasadowe sole kwasów organicznych, np. cytrynian trójsodowy; zasadowe sole kwasów nieorganicznych, takie jak węglan sodowy, boran sodowy, krzemian sodowy i fosforan trójsodowy; oraz wodorotlenki metali alkalicznych, takie jak wodorotlenek sodowy lub potasowy.

Substancja neutralizująca jest korzystnie dyspergowana w oleju mineralnym lub w rozpuszczalniku typu ciężkiej benzyny.

Emulgator stosowany do zemulgowania roztworu substancji neutralizującej w oleju powinien być typu niejonowego i cechować się wartością HLB (równowagi hydrofilowo-lipofilowej) w zakresie 3-9, korzystnie 5-7.

Odpowiednie ilości i składy dodatku rozbijającego dla osiągnięcia różnych celów oraz efektów łatwo ustalić przez serię eksperymentów. Jednak, na ogół ilość wspomnianego dodatku będzie wynosić 1-10, korzystnie 1,5-6 i szczególnie 2-4% (wagowo), obliczone w stosunku do całkowitego ciężaru końcowej emulsji bitumicznej.

Zgodnie z innym aspektem niniejszego wynalazku, wynalazek dotyczy także zastosowania asocjacyjnego zagęszczacza typu niejonowego jako zagęszczacza w emulsji bitumicznej typu kationowego.

Zagęszczacz asocjacyjny typu niejonowego może być hydrofobowo zmodyfikowanym etoksylanem metanu, korzystnie modyfikowanym uretanem produktu oksyetylenowania, o podanym na rysunku ogólnym wzorze, w którym R, R', R, x oraz n mają wyżej podane znaczenie.

Zgodnie z jeszcze innym aspektem niniejszy wynalazek dotyczy zastosowania emulsji bitumicznej do budowy dróg, konserwacji dróg lub w pracach budowlanych, takich jak pokrywanie dachów, nakładanie powłok lub impregnacja wodoodporna.

Zgodnie z korzystnym wykonaniem tego aspektu emulsję wody w oleju obejmującą wodny roztwór substancji neutralizującej dyspergowanej w ciągłej fazie olejowej, miesza się z emulsją bitumiczną przed stosowaniem, lub w związku ze stosowaniem wspomnianej emulsji bitumicznej.

173 615

Podane niżej przykłady objaśniają bliżej wynalazek .

Przykład I. A. Przeciętnie szybko rozbijającą się emulsję bitumiczną typu kationowego, zawierającą 60% wagowych destylowanych bitumu, obliczonego w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (produkt handlowy o nazwie BE60M, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja) wprowadzono do naczynia wyposażonego w mieszadło. W trakcie mieszania dodano hydrofobowo modyfikowany oksyetylenowany uretan (produkt handlowy Collacral PU 75, stanowiący mieszaninę polimerów określonych wzorem podanym powyżej, produkcji BASF, Ludwigshafen). Lepkość emulsji zawierającej dodatek zmierzono wiskozymetrem Brookfielda wyposażonym we wrzeciono nr 4. Próbkę zbadano przy prędkości 5 obr/min. Zastosowano trzy różne stężenia dodatku, tzn. 0,1, 0,2 i 0,4% wagowych, w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji. Dla porównania zbadano również lepkość emulsji bez dodatku.

B. Procedurę z części A powtórzono, lecz przy użyciu jako dodatku innego hydrofobowo zmodyfikowanego oksyetylenowanego uretanu, a mianowicie produktu handlowego Collacral PU 85, stanowiącego mieszaninę polimerów określonych wzorem podanym powyżej, produkcji BASF, Ludwigshafen.

Wyniki prób lepkości podano w poniższej tabeli 1.

Przykład II. Powtórzono przykład I, ale stosując średnio szybko rozbijającą się emulsję bitumiczną typu kationowego, zawierającą 67% wagowych destylowanego bitumu, obliczonego w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (produkt handlowy o nazwie BE65M, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja), zamiast emulsji z przykładu I i z użyciem jako dodatków następujących zmiennych co do ilości zagęszczaczy stanowiących mieszaniny hydrofobowo zmodyfikowanych oksyetylenowanych uretanów, określonych wzorem podanym powyżej:

A. Collacral Pu 75, BASF, Ludwigshafen, RFN

B. Collacral PU 85, BASF, Ludwigshafen, RFN

C. Acrysol RM 8 Rohm and Haas, Filadelfia, Stany Zjednoczone Ameryki

D. Bermodol PUR2 100, Berol Nobel AB, Sztokholm, Szwecja

E. Collacral DS 6049, BASF, Ludwigshafen, RFN

Wyniki podano poniżej w tabeli 1.

Przykład III. Powtórzono przykład I, ale stosując szybko rozbijającą się emulsję bitumiczną typu kationowego, zawierającą 67% wagowych destylowanego bitumu, obliczonego w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (produkt handlowy o nazwie PME 89, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja), zamiast emulsji z przykładu I. Zastosowano te same dodatki co w przykładzie I, tzn.

A. Collacral PU 75, BASF, Ludwigshafen, RFN

B. Collacral PU 85, BASF, Ludwigshafen, RFN

Wyniki podano w tabeli 1.

Przykład IV. Powtórzono przykład I, ale stosując szybko rozbijającą się emulsję bitumiczną typu kationowego, zawierającą 67% wagowych destylowanego bitumu, obliczonego w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (produkt handlowy o nazwie BE65R, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja), zamiast emulsji z przykładu I. Zastosowano te same dodatki co w przykładzie I, tzn.

A. Collacral PU 75, BASF, Ludwigshafen, RFN

B. Collacral PU 85, BASF, Ludwigshafen, RFN

Wyniki podano w tabeli 1.

173 615

Tabela 1

Dodatek	Lepkość [Pa.s] emulsji według przykładu nr:
Ilość [%wag.]	Rodzaj
I	II	III	IV
-	brak	0,6	1,6	0,6	1,8
0,05	A		13,2
0,05	B		12,4
0,1	A	2,6	14,4	8,0	4,0
0,1	B	2,8	14,8	10,4	5,2
0,2	A	6,4	14,0	12,8	4,8
0,2	B	4,0	12,8	14,0	6,0
0,2	C		3,6
0,2	D		5,4
0,2	E		5,2
0,4	A	4,8	15,4	12,0	4,8
0,4	B	6,8	17,2	16,8	6,0
0,4	C		8,4
0,4	D		17,2
0,4	E		23,8

Oznaczenie rodzaju dodatków (por. przykłady I-IV):

A - Collacral PU 76 B - Collacral PU 85 C - Acrysol RM 8 D - Bermodol PUR 2100 E - Collacral DS 6049.

Przykład V. Stosując procedurę z przykładu I, wytworzono mieszaninę z początkowej emulsji bitumicznej z przykładu II (BE65M, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja) i każdy z dodatków A. do E., wyszczególnionych w przykładzie II, dodano w ilości 0,2% wagowych, obliczonych w stosunku do ciężaru emulsji.

Utworzono mieszankę z kruszyw mineralnych i z każdej emulsji bitumicznej, zawierającej dodatek, stosując 500 g kruszywa [(granit Farsta 0-16 mm, spełniający wymagania dla emulsji asfaltobetonu o wymiarach kamieni 0-16 mm otwartej krzywej, podanych przez Szwedzki Zarząd Dróg w Byggnadstekniska foreskrifter och allmanna rad (Wytyczne i ogólne wskazówki dotyczące inżynierii budowlanej)] zwilżonego 1% wagowo wody. Dodano 7% wagowych emulsji bitumicznej (obliczone w stosunku do ciężaru kruszywa) i powstałą mieszankę mieszano ręcznie przez 72 sek. Następnie mieszankę wlano przez lejek z sitem na dnie dla wykonania próby wypływu (Run off') i wymycia (Wash off').

Wypływ (odciek) jest ilością substancji zebranej w wytarowanym pojemniku aluminiowym, umieszczonym pod lejkiem, przez 30 min. Pojemnik suszy się następnie w piecu w temperaturze 110°C. Ilość wypływu wyraża się jako procent utraconej substancji wiążącej, obliczonej w stosunku do ciężaru kruszywa w porcji.

Pozostałość próbki na lejku użyto następnie do próby wymycia, którą wykonano następująco:

Po 1 godzinie na próbkę w lejku wlano 200 ml wody, a wyciek zebrano do pojemnika aluminiowego. Zawartość wysuszono w piecu w 110°C i zważono. Ilość wymytej substancji określa się jako utracone spoiwo w % wagowych w ten sam sposób jak przy próbie wypływu. Procedurę opisano w publikacji: A Basic Asphalt Emulsion Manuał, Asphalt Institute, College Park, Maryland, Stany Zjednoczone Ameryki.

Wyniki powyższych prób oraz testu porównawczego przy użyciu emulsji bez dodatku podano w poniższej tabeli 2.

173 615

Tabela 2

Dodatek	Wypływ (% wag.)	Wymycie ( % wag.)
Brak	0,56	0,64
Collacral PU 75	brak	0,40
Collacral PU 85	brak	0,42
Acrysol RM 8	0,04	0,82
Bermodol PUR 2100	0,17	0,55
Collacral DS 6049	0,30	0,59

Z powyższych wyników można wywnioskować, że wskutek stosowania emulsji według niniejszego wynalazku będzie możliwe zastosowanie wyższych stężeń substancji wiążącej bitum w asfalcie mieszanym na zimno i zgodnie z tym technika mieszania na zimno może być zastosowana dla wytworzenia mieszanek asfaltów dla dróg o większym nasileniu ruchu i dłuższym czasie naprawy niż to dotychczas było możliwe.

Przykład VI. Do rozbijającej się ze średnią szybkością emulsji bitumicznej typu kationowego, zawierającej 67% wagowych destylowanego bitumu, co obliczono w stosunku do całkowitego ciężaru emulsji (produkt handlowy o nazwie BE 65 M, Nynas Bitumen AB, Johanneshov, Szwecja) dodano 2,1% wagowych (co obliczono w stosunku do ciężaru emulsji bitumicznej) mieszaniny dodatku rozrywającego i hydrofobowo zmodyfikowanego uretanu produktu oksyetylenowania (Collacral PU 75, BASF, Ludwigshafen, Niemcy), w stosunku wagowym 20:1.

Dodatek rozbijający był w postaci emulsji wody w oleju, składającej się z fazy oleju składającej się z roztworu Hypermer A60 (produkt handlowy z ICI Europę Ltd., Kortenberg, Belgia) o stężeniu 6,6% wagowych Diamin BG (produkt handlowy, Scanroad AB, Nacka, Szwecja) o stężeniu 0,33% wagowych i Viscoplexu BA9-700 (produkt handlowy, Rohm GmbH, Darmstadt, Niemcy) o stężeniu 0,66% wagowych w oleju naftenowym, poddanym hydroobróbce (standardowa jakość Nytex 800, Nynas Naphthenic Ab, Nynashamn, Szwecja) i fazy wodnej, składającej się z roztworu wodnego zawierającego 8% wagowych węglanu sodowego i 16% wagowych cytrynianu trójsodowego, przy czym wspomniana emulsja wody w oleju zawiera 70% wagowych wody.

Mieszaninę dodatku rozbijającego i zagęszczacza zmieszano w emulsji bitumicznej przez mieszanie szklaną bagietką bezpośrednio przed dodaniem 50 g emulsji do 500 g kruszyw mineralnych o tzw. rozkładzie niesortowanym. Mieszankę agregat-emulsja zmieszano przez 60 sek. łopatką stalową i wlano na lejek z tworzywa sztucznego z sitkiem na dnie dla wykonania prób wypływu i wymycia.

W tym przypadku nie stwierdzono po 30 min. wypływu, (kilka kropli czystej wody można było zauważyć, lecz nie było w niej bitumu).

Po 1 godzinie mieszankę zbadano na wymycie, przez wlanie 200 ml wody na mieszankę. Nie stwierdzono wymycia (z lejka wypływała czysta woda).

Przykład VlI. Postępowano jak w przykładzie I stosując wolno rozbijającą się kationową emulsję bitumiczną zawierającą 66% wagowych (w stosunku do całkowitej masy emulsji) bitumu, o nazwie handlowej P 92-212-1 produkcji firmy Nynas Bitumen AB oraz jako dodatki - następujące zagęszczacze asocjacyjne w różnych ilościach:

1. Atlas G 1822 produkcji ICI Europę LTD, Belgia

2. Atlas G 1823 produkcji ICI Europę LTD, Belgia

Struktura chemiczna obu tych dodatków odpowiada distearynianowi polietylenoglikolu (150).

Lepkość emulsji zawierającej dodatki była mierzona wiskozymetrem Brookfielda wyposażonego w trzpień obrotowy Nr LV2. Próbka była testowana przy szybkości 6 rpm w temp. 40°C.

Uzyskane efekty zostały podane w tabeli 3.

Claims (4)

1. Emulsja bitumiczna typu kationowego, zawierająca bitum, wodę, emulgator kationowy, zagęszczacz i ewentualnie dodatek rozbijający, znamienna tym, że jako zagęszczacz zawiera co najmniej jeden asocjacyjny zagęszczacz typu niejonowego wybrany z grupy obejmującej

A) hydrofobowo zmodyfikowane oksyetylenowane uretany o wzorze

O 0 0 O

II II H II

R-N-C-O-iCHaCHzOM-C-N-R-N-C-O-iCHzCHaOjJn-C-N-R'

Η Η Η H w którym R i R' są takie same lub różne i każdy z nich oznacza prostą lub rozgałęzioną grupę alkilową zawierającą 12-18 atomów węgla, R oznacza nasycony lub nienasycony łańcuch węglowodorowy o 7-36 atomach węgla, z których część może być zamknięta tworząc w nim pierścień, x oznacza liczbę 90-500, zaś n oznacza liczbę całkowitą 1-4, oraz

B) distearyniany polietylenoglikolu, w ilości 0,05-1% wagowo w stosunku do masy emulsji bitumicznej.

2. Emulsja według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera dodatek rozbijający dodany do niej w postaci emulsji wody w oleju, w której roztwór wodny substancji neutralizującej jest dyspergowany w ciągłej fazie olejowej.

3. Emulsja według zastrz. 2, znamienna tym, że zawiera substancję neutralizującą, wybraną z grupy obejmującej zasady organiczne, zasadowe sole kwasów organicznych lub nieorganicznych i wodorotlenki metali alkalicznych, które to zasady, sole i wodorotlenki są rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w oleju.

4. Emulsja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że zawiera substancję neutralizującą, która jest dyspergowana w oleju mineralnym lub w rozpuszczalniku typu ciężkiej benzyny.