PL249107B1 - Elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych, które charakteryzuje się tym, że zawiera wagowo asfalt drogowy 50/70 w ilości 92,7%, kompatybilizator C4H2O3 w ilości 0,5%, plastomer typu PET (poli(tereftalan etylen)) w ilości 5% oraz elastomer w postaci kopolimeru styren-butadien-styren w ilości 1,8%. Korzystnie, plastomer ma uziarnienie o wielkości <2 mm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych z dodatkiem kompatybilizatora modyfikacji przeznaczonego do wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych, dedykowanych do warstwy podbudowy, wiążącej jak i ścieralnej wykonywanych z betonu asfaltowego oraz mieszanek mastyksowo grysowych.

Lepiszcze asfaltowe jest produktem ubocznym destylacji ropy naftowej. Jest on materiałem termoplastycznym, który decyduje o trwałości mieszanek mineralno-asfaltowych. Właściwości reologiczne mieszanek mineralno-asfaltowych zależą głównie od właściwości zastosowanego asfaltu. Zdecydowana większość defektów, jakie powstają w nawierzchni pojawia się z powodu oddziaływania wysokiej jak i niskiej temperatury, cyklicznego obciążenia oraz starzenia asfaltu. Najbardziej znanym sposobem poprawy właściwości reologicznych jak i funkcjonalnych asfaltu, tworząc lepiszcze o wysokiej jakości, jest wprowadzenie do matrycy asfaltu polimeru. Najczęściej stosowanym polimerem do modyfikacji asfaltu jest elastomer, na przykład kauczuk styren butadien styren - SBS. W literaturze istnieje wiele badań, które potwierdzają skuteczność modyfikacji asfaltu za pomocą tego polimeru. Jego wprowadzenie do asfaltu powoduje poprawę odporności na działanie wody, trwałości zmęczeniowej, odporności na deformacje trwałe mieszanek mineralno-asfaltowych. Molekularna budowa SBS pozwala, poprzez proces spęcznienia polimeru i dalszą absorbcję frakcji maltenowej asfaltu, na powstanie usieciowanej struktury asfaltu modyfikowanego. Obecność sztywnych bloków polistyrenowych w SBS zapewnia sztywność asfaltu, natomiast bloki polibudatienowe jego elastyczność. Podsumowując, wprowadzenie elastomerów rozszerza zakres lepkosprężysty asfaltu bazowego, zapewniając jego wysokie walory użytkowe w niskiej temperaturze.

Znajomość polimerów z grupy plastomerów należy traktować jak inną klasę modyfikatorów asfaltów jest w mniejszym stopniu rozpoznana a efektywność modyfikacji ograniczona. W literaturze wielokrotnie jest podkreślane, że w przypadku modyfikacji asfaltu za pomocą plastomeru zaleca się, aby polimer był tak dobrany, aby jego temperatura mięknienia była zbliżona do temperatury mieszania składników i zwykle jest to temperatura ustalana z przedziału 160-170°C. W przypadku zastosowania twardego plastomeru, jego obecność skutkuje podniesieniem temperatur mięknienia asfaltu, niższą stabilnością oraz odpornością na koleinowanie MMA. Stosowanie plastomeru w składzie asfaltu powoduje spadek odporności na niskie temperatury mieszanki mineralno-asfaltowej jak i również powoduje spadek ciągliwości asfaltu modyfikowanego, co jest cechą niepożądaną w przypadku lepiszczy modyfikowanych. Dodanie mieszaniny kompatybilizatora i elastomeru skutecznie rozwiązuje ten problem nadając asfaltowi korzystne właściwości hipersprężyste.

Właściwości asfaltu modyfikowanego polimerem zależą od rodzaju i właściwości dodawanego polimeru, asfaltu, ich wzajemnych proporcji oraz, co jest istotne, procesu mieszania. Reaktywność oraz chemiczna struktura polimeru wpływa na kompatybilność z asfaltem co w efekcie wpływa na jakość mieszaniny. Podczas modyfikacji asfaltu przez plastomer może dojść do sytuacji, w której nastąpi segregacja komponentów wywołana dużą masą cząsteczkową polimeru, jego polarnością lub niedostateczną ilością frakcji maltenowej w asfalcie. Sam proces mieszania może być również zaburzony przez wysoką temperaturę mieszania utrzymywaną przez dłuższy czas, powodując dodatkowe starzenie asfaltu wynikające z degradacji frakcji maltenowej, a nawet utleniania polimeru. W efekcie następuje szybki spadek stabilności przy magazynowaniu mieszaniny. Z drugiej strony modyfikacja asfaltu za pomocą plastomeru dostarcza dodatkowych grup polarnych, z faktu wyższej temperatury procesu mieszania niż podczas stosowania zwykłego elastomeru, co wynika ze zjawiska starzenia, powodując wzrost kompatybilności składników, to jest asfaltu i polimeru. Zatem technologiczny proces modyfikacji jest niezwykle istotnym czynnikiem, na jaki należy zwrócić uwagę podczas homogenizacji asfaltu i plastomeru.

Ponadto z powodu niższej niż elastomer rozpuszczalności plastomer nie wytworzy takiej usieciowanej struktury jak elastomer w tych samych warunkach wytwarzania. Dozowanie już 2% PET istotnie na ograniczenie poziomu deformacji mieszanki mineralno-asfaltowego. Faktem jest to, że nadmierna ilość plastomeru obniża ciągliwość asfaltu. Wzrost ilości plastomeru powoduje korzystny wzrost sztywności i lepkości struktury asfaltu jak i mieszanki mineralno-asfaltowej.

Znane jest z publikacji opisu patentowego PL231248B1 składu asfaltu modyfikowanego, przede wszystkim do produkcji wyrobów hydroizolacyjnych. Asfalt modyfikowany zawiera 350 g asfaltu 160/220, 3,54 g modyfikatora imidazolinowego.

PL 249107 Β1

Znany jest z publikacji opisu patentowego WO2007068990 sposób modyfikacji asfaltu rozdrobnionymi odpadami gumowymi, umożliwiający uzyskanie lepiszczy gumowo-asfaltowych, charakteryzujących się obniżoną lepkością i stabilnością w warunkach magazynowania.

Znane jest z publikacji opisu patentowego PL221676B1 sposób wytwarzania asfaltu modyfikowanego o wysokim nawrocie sprężystym, w którym sporządza się mieszaninę modyfikującą styrenu, kauczuku, siarki i inicjatora polimeryzacji nadbenzoesanu t-butylu w stosunku 40:10:1:05, wygrzewa się przez okres 6 godzin w temperaturze 60°C i miesza się intensywnie, po czym mieszaninę dozuje się w temperaturze z zakresu 120°C-150°C, korzystnie 140°C do asfaltu 35/50 i w stosunku do mieszaniny modyfikującej jak 1:25 i wygrzewa się przez okres 20 godzin.

Z opisu patentowego PL238323B1 znany jest asfalt modyfikowany elastycznymi kompozycjami poliuretanowo-gumowymi i sposób otrzymywania asfaltu modyfikowanego elastycznymi kompozycjami poliuretanowo-gumowymi.

Należy zwrócić uwagę, że w znanej literaturze informacje na temat wpływu efektów proces mieszania nie jest doprecyzowany i zwykle obejmuje przyjęcie pewnych wartości czynników procesu mieszania bez informacji na temat jak ich dobór został określony. Rezultaty skuteczności modyfikacji asfaltu modyfikatorem jest opracowany na podstawie konfiguracji optymalnej dla zastosowania elastomerem. Natomiast modyfikacja asfaltu za pomocą plastomeru, nie została szczegółowo rozpoznana. Dlatego też bez rozpoznania faktycznego odziaływania czynników procesowych nie można zająć stanowiska co do dalszej strategii modyfikacji asfaltu za pomocą plastomeru. Jest bardzo niewiele opublikowanych kompleksowych badań związanych z zastosowaniem plastomeru do modyfikacji asfaltu, zwracających szczególną uwagę na proces mieszania uwzględniając różne plastomery oraz asfalty. Natomiast nie ma w literaturze podobnych działań, w których celem było poszukiwanie skutecznej metody modyfikacji asfaltu za pomocą plastomeru i elastomeru w ujęciu procesu mieszania oraz efektów im towarzyszącym w tym poprawy kompatybilności asfalt-plastomer w tym stabilności magazynowania z wykorzystaniem dedykowanego kompatybilizatora.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego rodzaju elastomerowo-plastomerowego lepiszcza asfaltowego (E-P) o zmniejszonej podatności na pełzanie w wysokich temperaturach eksploatacyjnych nawierzchni.

Elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych, charakteryzuje się tym, że zawiera wagowo asfalt drogowy 50/70 w ilości 92,7%, kompatybilizator C4H2O3 w ilości 0,5%, plastomer typu poli(tereftalan etylenu) (PET) w ilości 5% oraz elastomer w postaci kopolimeru styrenbutadien-styren w ilości 1,8%.

Korzystnie, uziarnienie plastomeru jest mniejsze niż 2 mm.

Przedmiotowy asfalt modyfikowany, stanowi alternatywę dla asfaltów modyfikowanych ogólnie dostępnych na rynku. Odznacza się niższą podatnością w temperaturze >60°C niż asfalt modyfikowany elastomerem. Ponadto asfaltowe lepiszcze elastomerowo-plastomerowe, według wynalazku, zachowuje odpowiednio poziom nawrotu sprężystego na poziomie >60%.

Elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych, według wynalazku, przedstawione jest w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym przedstawiono wykres MSCR dla asfaltów modyfikowanych w temperaturze 60°C wraz z zestawieniem komercyjnego asfaltu PmB 25/55-60.

Przykład wykonania

Przedmiotowe lepiszcze elastomerowo-plastomerowe składało się z następujących komponentów podanych wagowo: asfaltu drogowego 50/70 w ilości 92,7%, kompatybilizatora C4H2O3 w ilości 0,5%, plastomer typu poli(tereftalan etylenu) (PET) w ilości 5% oraz elastomer w postaci kopolimer styren-butadien-styren w ilości 1,8%, o właściwościach przedstawionych według tabeli 1.

Tabela 1. Przedstawia komponenty elastomerowo-plastomerowego lepiszcza asfaltowego.

Lp.	Składnik	Wzór/Widmo spektroskopowe/Rodzaj
1.	Asfalt drogowy	50/70
2.	Kompatybilizator	C4H2O3

PL 249107 Β1

Proces modyfikacji asfaltu za pomocą polimeru według wynalazku przebiega dwuetapowo. W pierwszej kolejności należy podgrzać asfalt o penetracji 50/70 do temperatury 180°C. Do gorącego asfaltu należy dodać w całości plastomer PET w ilości 5% (w/w) wagowo w stosunku do masy asfaltu. Zastosowany plastomer powinien mieć odpowiednie uziarnienie. Należy zaznaczyć, że 100% dodatku plastomeru powinno przechodzić przez sito o wymiarze oczek 2 mm oraz 95% powinno przechodzić przez sito o wymiarze oczek 1 mm. Następnie należy sukcesywnie dodawać kompatybilizator w ilości 0,5% (w/w) oraz elastomer w ilości 1,8% (w/w) w stosunku do masy asfaltu, którego sumaryczna ilość wynosiła 92,7%. W kolejnym kroku mieszaninę asfaltu wraz z elastomerem, plastomerem i kompatybilizatorem należy mieszać z szybkością obrotową 30 obr./min przez 30 min. W drugim etapie należy przystąpić do właściwego mieszania wysokoobrotowego zwiększając prędkość obrotową do poziomu 3000 obr./min i utrzymać ten stan przez 180 min. Po tym okresie należy zainicjować okres dojrzewania w temperaturze 180°C przez 60 min. utrzymując stan mieszania niskoobrotowego z prędkością 60 obr./min.

Rezultaty badań wskazują na występowanie efektu synergii pomiędzy kompatybilizatorem, plastomerem oraz elastomerem skutkującym niską nieodwracalną część podatności Jnr asfaltu oznaczoną w badaniu MSCR przy naprężeniu ścinającym 3200 Pa (zakres nieliniowej lepkosprężystości) w zakresie wysokich temperatur >60°C. W przedstawionym rozwiązaniu, znamiennym jest to, że wzrost temperatury badania asfaltu do 80°C nie spowodował istotnego wzrostu podatności tym samym przedmiotowy asfalt modyfikowany korzystnie wpłynie na redukcje deformacji w wysokich temperaturach. Znamiennym jest również wskazanie, że obecność bezwodnika maleinowego C4H2O3 spowodowała kondensację żywic asfaltowych, skutkując zmniejszeniem podatności asfaltu w wysokich temperaturach oraz zwiększyła synergię polimerów (plastomeru i elastomeru) z asfaltem. W rezultacie optymalizacji oraz

PL 249107 Β1 wykonanej próby walidacyjnej uzyskano następujące rezultaty cech elastomerowo-plastomerowego lepiszcza asfaltowego (tabela 2) w porównaniu do cech komercyjnego asfaltu modyfikowanego.

Wyniki przedstawione na rysunku wskazują, że przedstawiony asfalt E-Pjest przesunięty w lewo względem komercyjnych asfaltów modyfikowanych, co potwierdza jego zmniejszoną wartość nieodwracalnej podatności pełzania (Jnr) w temperaturze 60°C w porównaniu do komercyjnych asfaltu modyfikowanego PmB 25/55-60. Wartość Jnr3.2 sugeruje, że asfalt E-P można zakwalifikować jako lepiszcze o zwiększonej odporności na deformacje przeznaczone dla ruchu ekstremalnego typu E (Jnr3.2<0.5 kPa^-1) wg AASHTO 315 (AASHTO T 350, 2019).

Bliskość rzutowanych punktów cech Jnr i %R sugeruje wysokie podobieństwo charakteru Teologicznego obydwu asfaltów. Ponadto zakres 95% przedziału ufności dla cechy %R wskazuje, że istnieje możliwość uzyskania charakterystyki hiper sprężystej jak dla komercyjnie dostępnych asfaltów modyfikowanych za pomocą SBS (kopolimer styren-butadien-styren) >3%. Innymi słowy wynik procentowego nawrotu %R dla asfaltu E-P osiągnął wartość rekomendowaną względem linii granicznej metody MSCR (MSCR limit) według AASHTO 315 (AASHTO T 350, 2019). Należy podkreślić, że wynik badania nawrotu sprężystego wg PN-EN 13398:2012 (PN-EN 13398:2012) wyniósł 64% jednoznacznie wskazuje że niniejszy asfalt można zakwalifikować do asfaltów modyfikowanych polimerem. Należy również zwrócić uwagę na to, że wartość nawrotu sprężystego spełniała minimalny poziom dla asfaltu modyfikowanego PmB 25/55-60 wynoszący >60% według klasyfikacji zgodnej z PN-EN 14023:2011 (PN-EN 14023:2011).

Tabela 2. Wyniki optymalizacji składu elastomerowo-plastomerowego lepiszcza asfaltowego (E-P).

Składniki (w/w)	Oznaczone cechy
elastomer	kompatybi lizator (C4H2O3)	plastomer	Asfalt drogowy 50/70	%R przy T=3200Pa, % (EN 16659:2015)	Jnr3.2 przy r=3200Pa, kPa1 (EN 16659:2015)	Nawrót sprężysty, % PN-EN 13398:2012)
1,8%	0,5%	5%	92,7%	56	0,14	64 >60
Asfalt tradycyjny PMB 25/55-60	Wynik wg producenta asfaltów Poradnik Asfaltowy 2023 (Orlen Asfalt 63,3	Wynik wg producenta asfaltów Poradnik Asfaltowy 2023 (Orlen Asfalt) 0,16	Wymagania wg PN-EN 14023:2011 >60

Zasadniczą korzyścią wynikającą z wynalazku, jest możliwość wprowadzenia do asfaltu plastomeru do poziomu 5%. Badania optymalizacyjne procesu wskazują, że jego rozpuszczalność ulega zmianie w zależności od konfiguracji czynników procesu mieszania takich jak: temperatura mieszania, szybkość mieszania oraz czas mieszania. Optymalna konfiguracja parametrów mieszania asfaltu i plastomeru rzutuje na poziom redukcji ilości niezbędnego elastomeru potrzebnego do zapewnienia wymaganego nawrotu sprężystego. W przypadku przedmiotowego lepiszcza ilość elastomeru uległa zmniejszeniu o około 50% w porównaniu do ilości stosowanej w komercyjnym asfalcie modyfikowanym polimerem PmB 25/55-60. Zmniejszenie nieodwracalnej podatności na pełzanie będzie rzutować w istotny sposób na wzrost odporności deformacje trwałe w sytuacji jego wprowadzenia do mieszanki mineralnoasfaltowej. Warto również podkreślić, że utrzymanie niskiej podatności ma mniejsze również w temperaturze do 80°C co jest spowodowane obecnością kompatybilizatora zapewniającego wysoką synergię pomiędzy polimerem i asfaltem.

Claims (2)

1. Elastomerowo-plastomerowe lepiszcze asfaltowe do nawierzchni asfaltowych, znamienne tym, że zawiera wagowo asfalt drogowy 50/70 w ilości 92,7%, kompatybilizator C4H2O3 w ilości 0,5%, plastomer typu poli(tereftalanu etylenu) (PET) w ilości 5% oraz elastomer w postaci kopolimeru styren-butadien-styren w ilości 1,8%.

2. Lepiszcze, według zastrz. 1, znamienne tym, że plastomer ma uziarnienie o wielkości < 2 mm.