RU2781584C2 - Способ когезионного упрочнения битума - Google Patents
Способ когезионного упрочнения битума Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781584C2 RU2781584C2 RU2020117637A RU2020117637A RU2781584C2 RU 2781584 C2 RU2781584 C2 RU 2781584C2 RU 2020117637 A RU2020117637 A RU 2020117637A RU 2020117637 A RU2020117637 A RU 2020117637A RU 2781584 C2 RU2781584 C2 RU 2781584C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bitumen
- cohesive
- intercalated graphite
- hardening
- asphalt
- Prior art date
Links
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 title claims abstract description 43
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 abstract 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 6
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 5
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N Buckminsterfullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000011384 asphalt concrete Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001676573 Minium Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atoms Chemical group N* 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atoms Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002965 rope Substances 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atoms Chemical group 0.000 description 1
- 230000002522 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к дорожно-строительным материалам на основе битума - асфальтобетонным смесям, в частности к способу когезионного упрочнения битума. Способ осуществляют путем введения углеродных каркасных структур в битум при температуре его переработки, причем в качестве каркасной структуры применяют интеркалированный графит в количестве не менее 2,5% массы битума. Техническим результатом заявленного изобретения является когезионное упрочнение битума посредством применения интеркалированного графита, что обеспечивает простоту технологии изготовления асфальтобитумной смеси, в частности нет необходимости отдельной стадии приготовления модифицированного битума с применением ультразвуковых смесителей, и очевидную надежность связывания молекул битума в полимерный продукт. 14 пр.
Description
Изобретение относится к дорожно-строительным материалам на основе битума - асфальтобетонным смесям.
Общепризнанным приемом повышения прочностных-когезионных параметров битума является введение в него высокополимеров: сравнительно малые длины битумных молекул (500-6000 дальтонов), сохраняя свои основные свойства - водостойкость и подвижность, обусловливающую адсорбционную способность к наполнителям, - армируются встраиваемыми длинными молекулами высокополимеров, тем самым придавая системе способность подвергаться растягивающим и сжимающим нагрузкам, т.е. релаксировать. Полимеров обычно вводят порядка 10 масс. % от битума.
Другой способ повышения прочности битумных композиций (не исключающий первого) - это применение в основном анизометрических наполнителей. При этом наполнители вводятся в сравнительно большом количестве - до 40% объема композиции.
Предлагаемый нами способ заключается в использовании для когезионного упрочнения битума интеркалированного графита (ИГ). ИГ вводится в битум посредством обычного перемешивания в диссольвере или перемешивающем агрегате любой конструкции. При приготовлении композиции ее нагревают до температур порядка 180-200°С при продолжении перемешивания. ИГ начинает вспучиваться, распадаясь на слои, чем вносит существенный вклад в процесс перемешивания. Слои своими поверхностными электронами связывают протонодонорные ингредиенты общего состава битума, например, карбоксильные группы, содержащиеся во фракции асфальтенов. Кроме того, безусловное наличие даже небольших количеств воды, как показано в [6], создают возможность присоединения и электронодонорных молекул, содержащихся в смоляных фракциях битума и включающих атомы кислорода, азота, серы.
Авторы [4,5] усматривают (и объясняют!) действие углеродных нанотел, как и ИГ наличием на поверхностях этих субстанций подвижных (лабильных) электронов (что само по себе верно), и считают эти добавки катализаторами red-ox переходов.
Авторы работ, направленных на повышение прочностных параметров битума, несмотря на различное понимание этой проблемы, приходят в конечном счете к тому, что олигомолекулы битума следует «увеличить-удлинить». Так, в [1] авторы предлагают применять в качестве связывающего агента железный сурик, обладающий высокой сорбционной способностью относительно молекул битума.
Авторы [2] предлагают применять по принятой ими терминологии углеродный наноматериал (УНМ) Таунит производства ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов), представляющий собой «одномерные наномасштабные нитевидные образования, имеющие «структуру спутанных пучков многостенных углеродных нанотрубок» (в кавычках - цитаты из [2]). Механизм взаимодействия молекул битума с углеродными нанотелами - фуллеренами, нанотрубками - описан в [3] как хемосорбционный процесс поликонденсации полярных молекул на донорно-акцепторных центрах наночастиц с образованием связей типа сильных водородных, которые во много раз по энергетике превышают другие сорбционные взаимодействия.
За такого рода хемосорбцию ответственны шестичленные циклы, образующие поверхность углеродных нанотел.
Хорошо известно, что исходным сырьевым материалом для получения углеродных нанотел является графит [6]. Графит - это слоистый продукт, в результате чего его широко используют как наполнитель при изготовлении смазочных материалов: смазок, смазочных жгутов, сальниковых набивок и тому подобного. Слоистость графита предопределяется тем обстоятельством, что поверхность слоев образуют шестичленные углеродные циклы типа ароматических. Именно эти циклы и «приходят» в поверхностную структуру углеродных нанотел. Следовательно, исходный сырьевой материал - графит должен обладать теми же физико-химическими свойствами, что и частицы углеродных нанопродуктов. Однако графит - это монолитный продукт, для расслоения которого необходимо высокоэнергетическое воздействие. Эта проблема легко преодолима для так называемого интеркалированного графита (ИГ). Т.е. подвергнутого предварительной ослабляющей межслойные связи обработкой сильными кислотами.
Именно ИГ мы и предлагаем использовать в качестве скрепляющего молекулы битума ингредиента подобно тому, как дело обстоит в случае использования углеродных нанотел.
Способ когезионного упрочнения битума, предлагаемый нами в качестве связующего материала для смеси неорганических составляющих (ГОСТ 31015-2002) в соотношении: 94,0 масс% представительных фракций щебня (от самых крупных до песчаных отсевов, образующихся при дроблении гранита) и 6,0 масс. % связующего. В случае предлагаемого нами ИГ разрешенные ГОСТом 6,0 масс. % мы распределим так: не более 97,5% - битум; не менее 2,5 ИГ. В сравнении с предлагаемым ИГ, например, фуллереном С60 [6]: 99,8% - битум; 0,2% фуллерен. В случае с применением нанотрубок в зависимости от их происхождения: около 99,8-99,9 - битум; остальное нанотрубки.
Таким образом, наиболее близким, по существу, к предлагаемому нами решению является способ, описываемый в патенте 2 515 007 [2]. Вместе с тем, в отличие от [2], в нашем случае модифицирующий битум материал - интеркалированный графит - на порядки дешевле, чем нанотела. Кроме того, ИГ прекрасно смешивается с битумом в обычных реакторах с мешалками в течение не более, чем 0,5 часа, в то время как для достижения равномерности распределения нанотрубок по [2] требуется ультразвуковая мешалка, и общее время изготовления составляет более полусуток. ИГ смешивается с битумом в ходе приготовления асфальтобетонной смеси непосредственно перед нанесением. Кроме того, ИГ, вспучиваясь при нагреве увеличивает подвижность органического модификатора, повышая его адгезию к частицам минерального наполнителя.
Следует отметить дополнительно, что ИГ, распадающийся при нагревании до температур приготовления асфальтобетонов - на как угодно тонкие слои, вплоть до мономолекулярных, в отличие от углеродных нанотел, обладает высочайшей эффективностью связывания молекул битума благодаря протяженным площадям слоев. Именно так образуются высокомолекулярные разветвленные макроцепи, обладающие всеми свойствами полимерных систем, в том числе механическими и релаксационными.
Таким образом, применение ИГ обеспечивает простоту технологии изготовления асфальтобитумной смеси: нет необходимости отдельной стадии приготовления модифицированного битума с применением ультразвуковых смесителей, - и очевидную надежность связывания молекул битума в полимерный продукт (шестичленными циклами, образующими поверхность слоев).
Методика проведения экспериментов
ГОСТом 31015-2002 предлагается "метод определения устойчивости смеси... по показателям стекания вяжущего.
Сущность метода заключается в оценке способности горячей щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси удерживать содержащиеся ней вяжущие", т.е. при гарантированно достаточной адгезии битума к наполнителям повысить его когезионные параметры.
94 масс. % представительных фракций щебня (от самых крупных до песчаных отсевов, образующихся при дроблении гранита) смешивают с 5,5 масс. % битума и 0,5% модифицирующей добавки (т.е. полимера).
Порядок подготовки к испытанию (по ГОСТ):
Используются ИГ, интенсивно расширяющиеся при температурах 200±20°С.
В металлическую емкость помещают все фракции щебня и выдерживают в термошкафу при температуре 185±5°С 15 минут.
В разогретый щебень вводят битум БНД 60/90 и углеродную добавку, затем тщательно перемешивают смесь.
Приготовленную смесь вновь разогревают до указанной температуры и еще раз перемешивают. В термошкафу поддерживается заданная температура.
Пустой двухлитровый стеклянный стакан взвешивают и термостатируют в термошкафу 10 минут. Затем стакан ставят на весы и помещают в него примерно 1 кг смеси; взвешивают и покрывают стеклянной пластиной.
Порядок проведения испытания
Стакан со смесью вновь термостатируют в течение 1 часа, затем вынимают, снимают стеклянную крышку и, не встряхивая, переворачивают дном вверх на 10,0 секунд. После этого стакан ставят на дно, охлаждают при комнатной температуре 10 минут и взвешивают.
Определяют массу остатка вяжущего на стенках стакана. Результаты двух параллельных испытаний не должны отличаться более чем на 0,05%; это и есть показатель стекания. Положительным является результат от 0,07 до 0,15%.
Примеры
Пример 1 (контрольный)
Провели эксперимент по методике без добавок. Показатель стекания 2,8 масс. %.
Пример 2 (контрольный)
Провели эксперимент, как описано в методике, в композицию ввели 5 масс. % фуллереновой сажи (для улучшения смешиваемости), содержащей 0,2 масс. % фуллерена С60, т.е. 0,01% фуллерена. Показатель стекания - 0,14%.
Пример 3 (контрольный)
Как в примере 2, но ввели 0,02% фуллерена (в саже) С60. Показатель стекания - 0,1%.
Пример 4 (контрольный)
Как в примере 2, но фуллерен без сажи - очищенный. Показатель стекания - 0,2%
Пример 5 (контрольный)
Как в примере 2, но ввели 0,005% нанотрубок «Таунит». Показатель стекания - 0,21%.
Пример 6
Как в примере 2, но ввели 2,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,12%.
Пример 7
Как в примере 2, но ввели 2,5 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 8
Как в примере 2, но ввели 3,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 9
Как в примере 2, но ввели 4,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 10
Как в примере 2, но ввели 6,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 11
Как в примере 2, но ввели 8,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 12
Как в примере 2, но ввели 10,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 13
Как в примере 2, но ввели 12,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Пример 14
Как в примере 2, но ввели 15,0 масс. % интеркалированного графита. Показатель стекания - 0,11%.
Очевидно, дальнейшее повышение концентрации ИГ приводит лишь к излишним экономическим затратам без ухудшения качественных показателей.
Источники информации
1. Патент РФ №2 673 686, опубл. 29.11.2018 г.
2. Патент 2 515 007, опубл. 10.05.2014 г.
3. Амбарцумов Д.А. и др. Модификация битумов как связующих "Лакокрасочные материалы и их применение" № 9, 2019, с. 16-21.
4. Завьялов Д.Е. и др. Возможность применения интеркалированного графита в огнезащитных интумесцентных композициях. Тезисы доклада на XIV международной конференции "Наукоемкие химические технологии", 2012, Тула, 21-25.05.2012. С. 424.
5. Патент РФ № 2 603 667, опубл. 20.11.2016.
6. Гаркавая Л. Фуллерен. fb.ru/article/301306, fullerene, 201.
Claims (1)
- Способ когезионного упрочнения битума введением углеродных каркасных структур при температуре переработки битума, отличающийся тем, что в качестве каркасной структуры применяют интеркалированный графит в количестве не менее 2,5% массы битума.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020117637A RU2781584C2 (ru) | 2020-05-15 | Способ когезионного упрочнения битума |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020117637A RU2781584C2 (ru) | 2020-05-15 | Способ когезионного упрочнения битума |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020117637A3 RU2020117637A3 (ru) | 2021-11-15 |
| RU2020117637A RU2020117637A (ru) | 2021-11-15 |
| RU2781584C2 true RU2781584C2 (ru) | 2022-10-14 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2515007C1 (ru) * | 2013-02-04 | 2014-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный университет" | Способ упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом |
| WO2016040612A1 (en) * | 2014-09-11 | 2016-03-17 | Garmor, Inc. | Graphite oxide entrainment in cement and asphalt composite |
| RU2656504C2 (ru) * | 2012-07-12 | 2018-06-05 | Фаэрстоун Билдинг Продактс Ко., Ллк | Листовые материалы на асфальтной основе, содержащие расширяющийся графит |
| CN106977962B (zh) * | 2017-04-19 | 2019-05-24 | 南通永诚惠海建设工程有限公司 | 一种用于道路沥青改性的石墨烯微片母料及制备方法 |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2656504C2 (ru) * | 2012-07-12 | 2018-06-05 | Фаэрстоун Билдинг Продактс Ко., Ллк | Листовые материалы на асфальтной основе, содержащие расширяющийся графит |
| RU2515007C1 (ru) * | 2013-02-04 | 2014-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный университет" | Способ упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом |
| WO2016040612A1 (en) * | 2014-09-11 | 2016-03-17 | Garmor, Inc. | Graphite oxide entrainment in cement and asphalt composite |
| CN106977962B (zh) * | 2017-04-19 | 2019-05-24 | 南通永诚惠海建设工程有限公司 | 一种用于道路沥青改性的石墨烯微片母料及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Н.И. Шестаков, "Модифицированный асфальтобетон с углеродными нанодобавками", Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Улан-Удэ, 2015, 132 с. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zare-Shahabadi et al. | Preparation and rheological characterization of asphalt binders reinforced with layered silicate nanoparticles | |
| Chen et al. | Asphalt modified by styrene-butadiene-styrene triblock copolymer: Morphology and model | |
| AU2009212230B2 (en) | Polyphosphate modifier for warm asphalt applications | |
| Jin et al. | Structure characteristics of organic bentonite and the effects on rheological and aging properties of asphalt | |
| Yao et al. | Effectiveness of Micro‐and Nanomaterials in Asphalt Mixtures through Dynamic Modulus and Rutting Tests | |
| CN105143326B (zh) | 利用聚乙烯蜡增强硫磺强化沥青的性能 | |
| KR20130067292A (ko) | 고무 및 왁스를 포함하는 응집체의 제조 방법, 상기 방법에 따라 제조된 응집체, 및 아스팔트 또는 역청 물질에서의 상기 응집체의 용도 | |
| Bala et al. | Polymer nanocomposite-modified asphalt: characterisation and optimisation using response surface methodology | |
| CN109761541B (zh) | 一种用于重载交通路面的沥青混合料及其加工工艺 | |
| Akisetty | Evaluation of warm asphalt additives on performance properties of CRM binders and mixtures | |
| CN111433273A (zh) | 用于高机械性能沥青混合料的添加剂组合物 | |
| Shen et al. | Size effect of sub nano-scaled hydrated lime on selected properties of HMA | |
| Zou et al. | A novel foaming additive derived from waste polyethylene terephthalate (PET) for low-carbon warm mix asphalt | |
| RU2781584C2 (ru) | Способ когезионного упрочнения битума | |
| Alavi et al. | Performance evaluation of hybrid fibers and nano-zeolite modified asphalt micro-surfacing | |
| Wu et al. | Effect of fibers on the performance of a porous friction course | |
| Li et al. | Effects of two metal nanoparticles on performance properties of asphalt binder and stone matrix asphalt mixtures containing waste high density polyethelene | |
| Al-Hadidy | Experimental investigation on performance of asphalt mixtures with waste materials | |
| JPS584121B2 (ja) | 建設材料用ビチユ−メン性バインダ−の製法 | |
| Alzuhairi et al. | Chemical recycling of polyethylene terephthalate (waste water bottles) for improving the properties of asphalt mixture | |
| RU2730857C1 (ru) | Низкотемпературный способ изготовления модифицированной резиновой крошки | |
| Kök et al. | EFFECTS OF USING STYRENE-ISOPRENE-STYRENE AND CRUMB RUBBER ON RUTTING POTENTIAL AND AGING PROPERTIES OF BITUMEN. | |
| Taher et al. | Physical properties and chemical bonding of advera® modified asphalt binder | |
| Erkuş et al. | The effects of Iraq natural asphalt on mechanical properties of bituminous hot mixtures | |
| Johnson | Application of nanomaterials in asphalt modification |