WO2014029372A2 - Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwcnt y el procedimiento para su obtención - Google Patents

Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwcnt y el procedimiento para su obtención Download PDF

Info

Publication number
WO2014029372A2
WO2014029372A2 PCT/CO2013/000005 CO2013000005W WO2014029372A2 WO 2014029372 A2 WO2014029372 A2 WO 2014029372A2 CO 2013000005 W CO2013000005 W CO 2013000005W WO 2014029372 A2 WO2014029372 A2 WO 2014029372A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sbs
asphalt
nanocomposite
mmwcnt
modified
Prior art date
Application number
PCT/CO2013/000005
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2014029372A3 (es
Inventor
Luz Stella QUINTERO RANGEL
Luis Enrique SANABRIA GRAJALES
Original Assignee
Corporacion Para La Investigacion Y Desarrollo De Asfaltos En El Sector Transporte E Industrial-Corasfaltos
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corporacion Para La Investigacion Y Desarrollo De Asfaltos En El Sector Transporte E Industrial-Corasfaltos filed Critical Corporacion Para La Investigacion Y Desarrollo De Asfaltos En El Sector Transporte E Industrial-Corasfaltos
Priority to US14/412,239 priority Critical patent/US9353292B2/en
Priority to ES13831646T priority patent/ES2892352T3/es
Priority to EP13831646.8A priority patent/EP2889331B1/en
Publication of WO2014029372A2 publication Critical patent/WO2014029372A2/es
Publication of WO2014029372A3 publication Critical patent/WO2014029372A3/es
Priority to US15/140,662 priority patent/US20160289413A1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/005—Processes for mixing polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C08J3/22—Compounding polymers with additives, e.g. colouring using masterbatch techniques
    • C08J3/226—Compounding polymers with additives, e.g. colouring using masterbatch techniques using a polymer as a carrier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L53/00—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L53/02—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers of vinyl-aromatic monomers and conjugated dienes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L95/00—Compositions of bituminous materials, e.g. asphalt, tar, pitch
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D195/00—Coating compositions based on bituminous materials, e.g. asphalt, tar, pitch
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40—Additives
    • C09D7/60—Additives non-macromolecular
    • C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
    • C09D7/62—Additives non-macromolecular inorganic modified by treatment with other compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40—Additives
    • C09D7/65—Additives macromolecular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40—Additives
    • C09D7/70—Additives characterised by shape, e.g. fibres, flakes or microspheres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2395/00—Bituminous materials, e.g. asphalt, tar or pitch
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2453/00—Characterised by the use of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Derivatives of such polymers
    • C08J2453/02—Characterised by the use of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Derivatives of such polymers of vinyl aromatic monomers and conjugated dienes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Definitions

  • This invention fits both in the chemical industry sector and in the responsible for road construction and production of asphalt mixtures.
  • the application of the invention is in the production of a new polymeric additive for the modification of asphalt binders used in the production of asphalt mixtures for the construction of roads with flexible pavements.
  • Taxler concludes that the aging of asphalt mixtures is due to oxidation and weight loss of asphalt in the asphalt mixture during the processes of: mixing, compacting and service time as pavement.
  • Marzocchi et al. in 1981 patent the production of rubber modified asphalt; by chemical reaction of a bituminous material with a mono-aromatic polymer, to use it in ceilings with fiberglass and pavements.
  • the modification of asphalt with polymers aims to delay aging, deformability and thermal susceptibility, as well as to improve the mechanical resistance to traffic requests, service quality and the useful life of a flexible pavement.
  • Thermal susceptibility is a characteristic phenomenon of asphalt, which depends on temperature changes. At room temperature, its consistency is semi-solid, it behaves like a thermoplastic material; at low temperatures and under fast loads it becomes brittle they reach a brittle solid consistency, causing transverse cracks and thermal cracking; while, at high temperatures and under sustained loads, it behaves like a viscous liquid, which causes recess in asphalt pavement mixtures.
  • polymers are organic compounds of high molecular weight, obtained from the union of monomers by polymerization, this process forms a network structure that confers mechanical resistance and improves the performance of the same.
  • the increase in temperature causes them to soften, but when cooled they recover their solid state, this causes them to behave as: thermoplastics, thermoelastic or thermoelastics; for example, SBS and EVA are thermoelastoplasts.
  • polymers for the modification of asphalts, seeks to improve the viscoelastic properties of bitumen such as: elasticity, flexibility, consistency and durability, to avoid deformations or cracks in the pavement; They also mitigate the deficiencies of asphalt in its mechanical properties.
  • the selection of the polymer depends on the properties that are desired to be improved and the behavior expected for the asphalt.
  • Polymeric modifiers used in asphaltic materials are classified as follows:
  • Type I polymer Improves the behavior of asphalt mixtures both at high and low temperatures. It is manufactured based on styrene blocks in radial elastomeric polymers of the bibloque or tribloque type, through configurations such as Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) or Styrene-Butadiene (SB), among others.
  • SBS Styrene-Butadiene-Styrene
  • SB Styrene-Butadiene
  • Type II polymer Improves the behavior of asphalt mixtures at low temperatures. It is manufactured based on linear elastomeric polymers, using a configuration of Styrene, Butadiene-latex or Neoprene-latex rubber. They are used in pavements for cold and temperate climates, as well as to make emulsions that are used in surface treatments.
  • Type III polymer It improves the resistance to the asphalt mixes, reduces the temperature susceptibility of the asphalt cement and improves its behavior at high temperatures. It is manufactured based on an elastomeric polymer, through configurations such as Ethyl-Vinyl Acetate (EVA) or high or low density polyethylene, among others. They are used in hot climates, in asphalt mixtures for pavement structural binders with high traffic rates, as well as to make emulsions that are used in surface treatments. Polymers of (styrene-butadiene-styrene) SBS and EVA (ethyl vinyl acetate) are the most commonly used conventional materials for asphalt modification.
  • EVA Ethyl-Vinyl Acetate
  • Ethyl Vinyl Acetate contains a carbonite group in its structure and improves stiffness and elasticity at high temperatures and high loads.
  • SBS and EVA are polymers that, according to their mechanical behavior, are preferred for the modification of asphalts.
  • Other unconventional polymers such as styrene butadiene rubber (SBR), Polypropylene (PP), Polystyrene, among others, have the same objective in the modification of asphalts; since at high temperatures, they reduce the permanent deformation of the road's tread layer as a result of the frequency of loads and sudden climatic changes.
  • carbon nanotubes have attracted great interest for their unique structural and conductive properties, such as excellent strength, modulus, electrical and thermal conductivities, in addition to their low density.
  • Such compounds promise to provide exceptional mechanical properties and multifunctional characteristics, however, if these materials want to be used as effective reinforcement in compounds, an appropriate dispersion and a good interfacial bond between the carbon nanotubes and the matrix must be guaranteed. Therefore, the degree of efficiency of carbon nanotubes in improving the properties of the receptor medium is strongly linked to their dispersion.
  • the homogeneous dispersion of nanotubes in the receiving medium is one of the main challenges encountered in the area of its applications.
  • Carbon nanotubes are an agglomerated material that clusters together and tangles; therefore, the functionalization of carbon nanotubes is one of the ways used to improve the compatibility of nanotubes and the receiving material.
  • solubility of carbon nanotubes in common solvents can be improved by the presence of functional groups on their surface; in addition that chemically hoisted functional carbon nanotubes can produce strong interfacial bonds with many polymers and, on the other hand, help to further cross-link the polymer structure due to the multiple bonds generated along its surface with the matrix polymer.
  • asphalt is composed of two fractions; one of maltenos (viscose) formed by paraffins, resins and aromatics and another solid that contains asphaltenes.
  • the latter plays an important role in the compatibility with polymers, since the lower the content of asphaltenes in the asphalts, it will be more related to the polymer when they form a net structure in the asphalt.
  • the modified asphalt acquires the capacity to absorb the stresses being more resistant to Asura and deform, characteristics that produce physical defects such as cracking and sagging. These mechanical problems are frequent; In addition, they are the ones that justify the improvement in the mechanical properties of asphalts.
  • the incorporation of a polymer for the modification of asphalt not only depends on the chemical compatibility of these, it is also important to know the process of addition of the polymer.
  • the process occurs in two stages; in the first, the polymer disperses in the asphalt without exerting effect on the properties; in the second, the polymer particles absorb the swelling swelling to disperse, this being the stage in which the most significant Theological changes in the mixture take place; It should also be noted that some polymers may react with certain asphalt components.
  • modified asphalt The rheological properties of modified asphalt depend on the composition and nature of the additives used. These properties determine the mixing and compaction conditions in the preparation of the asphalt mixture. An ideal mixing and compaction occurs when the modified asphalt behaves as an equi-viscous material at a certain temperature, this minimizes the effect that the stiffness of the binder can cause on the volumetric properties of the mixture during hot mixing in the plant.
  • additives such as: rubber, acid-treated polymers, SBS polymers with sulfur, nano-clay-polymer compounds or nano-clays as additives for: improve asphalt stability to changes in temperature during storage, decrease the fragility of the asphalt, increase the useful life of the pavement, increase the stiffness, increase the resistance to aging, absorb noise in pavements, potentially reduce the pitting and cracking of the mixture.
  • Polymeric nanocomposites based on carbon nanotubes applied in asphalt modification have not been used to date, nor has SBS polymer nanocomposite with functionalized multiple-wall carbon nanotubes been implemented as an asphalt modifier.
  • This invention aims at the preparation of an SBS / MMWCNT nanocomposite polymer designed for use as an asphalt modifier; this is intended to propose long-life asphalt pavements (based on high modulus asphalt mixtures) to the road construction sector
  • the use of this invention has an important impact on the road structure, which helps to effectively meet the needs of modern society and, moreover, is a challenge for industrial and economic activities, to the point that It is considered a new era of industrial revolution.
  • an asphalt is modified with: a SBS styrene-butadiene-styrene polymer nanocomposite with functionalized multiple-wall carbon nanotubes (MMWCNT).
  • MMWCNT multiple-wall carbon nanotubes
  • the asphalt is modified with such a nanocomposite polymer allowing to obtain an asphalt suitable for producing high modulus mixtures from a bitumen of medium hardness, useful in the construction of long life pavements.
  • the asphalt to be modified is a base asphalt.
  • the nanocomposite polymer SBS / MMWCNTs
  • the base asphalt is initially obtained and then mixed with the base asphalt as follows:
  • the nanocomposite polymer is obtained from an SBS polymer in the form of pellets or crumbs, functionalized multi-wall carbon nanotubes (MMWCNTs) and one or more solvents.
  • SBS polymer in the form of pellets or crumbs, functionalized multi-wall carbon nanotubes (MMWCNTs) and one or more solvents.
  • MMWCNTs functionalized multi-wall carbon nanotubes
  • Multi-walled carbon nanotubes must have a diameter that ranges between 5-50 nm and a length between 1-30 ⁇ m.
  • the solvent used can be xylenes, toluene, acetone, tetrahydrofuran, chloroform, cyclohexane, ethanol, methanol, propanol, dimethylformamide, or a combination of them.
  • the multi-walled carbon nanotubes used in the preparation of the nanocomposite (MMWCNT) can be functionalized with hydroxyl groups, MWCNT-OH, with carboxylic acid groups, MWCNT-COOH, with amino groups, MWCNT-Amina, with phenol, MWCNT- Phenol, or with alkyl groups.
  • the preparation of the nanocomposite additive SBS / MMWCNT is carried out using ultrasound and mechanical agitation (solution casting process). MMWCNT are initially dispersed in a solvent by ultrasound and / or mechanical agitation, meanwhile, the SBS pellets / crumbs are dissolved in a solvent using mechanical agitation. 4.
  • the homogenized solution is subjected to evaporation of the solvent, by means of a rotary evaporator, a dryer, an evaporator, a vacuum distillation system or some other means that allows evaporation of the solvent until the solution becomes viscous. 5.
  • the homogeneous viscous SBS / MMWCNT solution from step 4 is served on plates, metal trays or conveyor belts, of glass or any material that is chemically stable with the solvent used; which must be introduced into a vacuum oven or convection oven at a temperature between 30 ° C and 100 ° C, until evaporation of the remaining solvent and the dried nanocomposite polymer sheets are obtained. Subsequently, the polymer sheets are cut to obtain pieces with a maximum dimension between 0.2cm and 4cm. 6.
  • the preparation of the conventional SBS additive is made from pellets / crumbs of the polymer and dissolved in a solvent to obtain a homogeneous mixture, which is introduced into a rotary evaporator, evaporator, dryer, vacuum distillation system or some other medium that allows evaporation of the solvent until the solution becomes viscous; likewise, films of pure SBS polymer are created according to the procedure indicated in steps 4 and 5.
  • the asphalt is modified. Asphalt samples modified with SBS are prepared by mechanical agitation.
  • the base asphalt is heated to a fluid condition (150 ⁇ 50 ° C), to then add the nanocomposite polymer parts to the base bitumen, during the process mechanical stirring and temperature were maintained for a period between 0.5 to 7 hours, until that the homogeneity of the asphalt binder is achieved.
  • the same process is applied to modify the base asphalt with the conventional SBS polymer.
  • the polymer concentrations in the base asphalt are between 3, 5 and 7% by weight.
  • Figure 1 Theological curves of conditioned asphalt and modified asphalts.
  • Figure 2 Theological curves of conditioned asphalt and modified asphalts, after RTFOT aging.
  • a method of preparing a polymeric nanocomposite of SBS / MMWCNT (styrene-butadiene-styrene polymer / functionalized multiple-wall carbon nanotubes) used to modify a medium penetration asphalt is presented, the method of modifying the asphalt, which does not require the use of additional machinery used by polymer-modified asphalt producing plants.
  • the modification of asphalt with such a nanocomposite polymer makes it possible to obtain an asphalt suitable for producing high modulus mixtures, from a bitumen of medium hardness that also allows to produce asphalt mixtures that are not susceptible to moisture.
  • Example 1 A 60/70 asphalt was modified with polymeric nanocomposite SBS / MMWCNT, in which the MMWCNT were MWCNT-OH (multi-walled carbon nanotubes functionalized with hydroxyl groups), according to the process reported in this invention, and characterized by the tests of viscosity, RTFOT aging and deformation "Multiple Stress Creep and Recovery” (MSCR).
  • MWCNT-OH multi-walled carbon nanotubes functionalized with hydroxyl groups
  • Example 2 The viscosity tests were carried out using a Dynamic Cutting Rheometer (DSR) AR-2000ex with parallel plate accessory 25mm in diameter. The measurements were taken at temperatures of 60 ° C, 80 ° C, 100 ° C, 120 ° C and 140 ° C. The results obtained are shown in Figure 1.
  • DSR Dynamic Cutting Rheometer
  • FIG. 1 shows the graphs of the Theological curves of the conditioned asphalt and the modified asphalts, resulting from the viscosity measurements; these show that the viscosity of the modified asphalts was the same for each of the different concentrations, for the conventional polymer or the nanocomposite polymer.
  • Example 4 The rheological curves shown in Figure 2 report the viscosity measurements made to the conditioned asphalt and the modified asphalts after RTFOT aging. In this case, a different behavior can be observed in the sample of asphalt modified with 7% nanocomposite polymer SBS / MWCNT-OH, which exhibited a greater increase in its viscosity compared to the change shown with the sample of asphalt modified with 7% of conventional SBS polymer.
  • the asphalts modified with 3% polymer and nanocomposite polymer continued to have approximately the same viscosity; In the asphalt binder modified with 5% nanocomposite polymer a slight increase in its viscosity is observed compared to the binder modified with 5% conventional polymer.
  • Example 5 The RTFOT aging test is used to determine the degree of aging and loss of asphalt mass when subjected to a temperature of 163 ° C on rotating film for 85 minutes, simulating the aging of the binder under the preparation conditions. of hot asphalt mixture.
  • Figure 3 shows the results of this test.
  • FIG. 3 shows the results of the RTFOT test.
  • the mass loss in RTFOT was lower for the conditioned asphalt and increased with the concentration of polymer in the binders, but it was lower for all bitumen modified with the nanocomposite polymer than with the pure polymer, the main difference was found for the modified asphalt with 7% nanocomposite polymer, which exhibited about 40% less mass loss than modified with 7% conventional polymer.
  • the asphalt modified with nanocomposite SBS polymer has "nanofluid" characteristics, thanks to the fact that carbon nanotubes have exceptional thermal diffusion properties and this makes an asphalt containing a good dispersion of nanotubes Carbon improves its properties, as they disperse heat faster, better and more efficiently. Therefore, an asphalt modified with SBS-MMWCNT polymer is less susceptible to thermal aging.
  • Example 7 The MSCR trials, "Multiple Stress Creep and Recovery". Tables 1 to 4 show the results of the MSCR tests performed on modified asphalts aged in RTFOT and their classification according to the specifications for the MSCR test.
  • Example 8 MSCR assays showed that non - recoverable deformation (non- recoverable compliance J nr) decreases with increasing concentration of conventional polymer and polymer nanocomposite, while the elastic recovery increases with increasing concentration of modifiers at all temperatures evaluated, and both properties exhibit approximately the same magnitude when the asphalt is modified with any of these materials to concentrations up to 5%.
  • the non-recoverable deformation J nr of the bitumen modified with the nanocomposite polymer is between 35-45% lower than the J nr of the bitumen modified with the conventional polymer, the first being less deformable (more rigid);
  • the bitumen modified with 7% nanocomposite polymer is not sensitive to loads at temperatures up to 82 ° C, while the bitumen modified with 7% traditional polymer is sensitive to loads at temperatures of 76 ° C and above.
  • Example 9 Table 5 shows the results of accumulated deformation tests in asphalt mixtures prepared with 60/70 asphalt, 60/70 modified asphalt with SBS and 60/70 asphalt modified with SBS nanocomposite SBS / MWCNT-OH.
  • the accumulated deformation for the asphalt mixture prepared with the nanocomposite binder is less than 30% less than that suffered by the asphalt mixture prepared with the SBS modified binder and less than 60% more than that suffered by the manufactured asphalt mixture with asphalt 60/70.
  • Example 10 shows the results of dynamic module tests in asphalt mixtures prepared with 60/70 asphalt, SBS modified 60/70 asphalt and 60/70 modified asphalt with SBS / MWCNT-OH nanocomposite asphalt.
  • the average dynamic module for the asphalt mixture prepared with the nanocomposite binder allows it to be classified as a High Modulus Mix (> 10MPa), this is more than 20% higher than that presented by the asphalt mixture prepared with the modified binder with SBS and more than 50% higher than that presented by the asphalt mixture made with 60/70 asphalt.
  • Example 11 Table 7 shows the results of moisture susceptibility tests in asphalt mixtures prepared with asphalt 60/70, asphalt 60/70 modified with SBS and asphalt 60/70 modified with SBS nanocomposite SBS / MWCNT-OH. The result indicates that the asphalt mixture prepared with the nanocomposite binder is not susceptible to moisture deterioration, as is the asphalt mixture prepared with the SBS modified binder, therefore, the nanomaterials present in the asphalt Nanocomposite does not exert a negative effect on the asphalt - stone aggregate interface.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Road Paving Structures (AREA)

Abstract

Esta invención está relacionada con el proceso para la modificación de un ligante asfáltico usando como aditivo un nanocomposito de: nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados dispersos en una matriz de polímero estireno-butadieno- estireno (SBS / MMWCNT). El asfalto modificado con el nanocomposito SBS/MMWCNT mejora sustancialmente su resistencia mecánica a las deformaciones y a cargas a alta temperatura; de manera que esto aumente la vida del pavimento flexible. Las mezclas asfálticas producidas con este nuevo ligante asfáltico modificado presentan una reducción importante en su ahuellamiento, se clasifican como mezclas asfálticas de alto módulo cuando se producen a partir de asfalto de dureza media (60/70) o superior y no son susceptibles a la humedad.

Description

ASFALTO MODIFICADO CON UN NANOCOMPOSITO DE SBS/MMWCNT Y EL PROCEDIMIENTO PARA SU OBTENCIÓN
SECTOR TÉCNICO
Esta invención se encuadra tanto en el sector de la industria química como en el responsable de construcción vial y producción de mezclas asfálticas. La aplicación de la invención es en la producción de un nuevo aditivo polimérico para la modificación de ligantes asfálticos empleados en la producción de mezclas asfálticas para la construcción de vías con pavimentos flexibles.
TÉCNICA ANTERIOR
Un problema económico, social y ambiental en el sector de construcción de vías, es el deterioro de los pavimentos, causado principalmente por el envejecimiento, la frecuencia de carga, el volumen del tráfico y por fenómenos ambientales como los cambios bruscos de temperatura. Ante la problemática, los avances científicos han propuesto la modificación de asfaltos con polímeros.
En 1930, las investigaciones relacionaban el endurecimiento y la rigidez de la mezcla asfáltica con el envejecimiento de los asfaltos; esto generaba los problemas de grietas y deformaciones permanentes en el pavimento. Para mitigar estos problemas; en los años 60 en Italia, Francia y Alemania se llevaron a cabo las primeras modificaciones de asfalto. Esta modificación se hacía mediante la incorporación de un polímero en el asfalto para modificar la resistencia mecánica del mismo. En esa misma época, Estados Unidos realizó el primer proyecto de construcción de vías utilizando esta técnica; desde entonces, ha sido utilizada para darle estabilidad al asfalto y mejorar la resistencia mecánica de la mezcla asfáltica utilizada para la construcción de pavimentos.
En 1961 Taxler, concluye que el envejecimiento de las mezclas asfálticas se debe a la oxidación y a la pérdida de peso del asfalto en la mezcla asfáltica durante los procesos de: mezclado, compactado y tiempo de servicio como pavimento. Marzocchi et al. en 1981 ; patentan la producción de asfalto modificado con caucho; por reacción química de un material bituminoso con un polímero mono-aromático, para utilizarlo en techos con fibra de vidrio y pavimentos.
Moran, en 1991 ; patentó un método para mejorar la estabilidad de asfaltos modificados durante el almacenamiento; en esta modificación se utilizó polímeros tratados con ácidos inorgánicos; el producto obtenido se aplicó a las carpetas asfálticas utilizadas para pavimentos; mientras que en 1992 patentó la modificación de asfaltos usando polímeros ramificados tratados con ácidos. Estas invenciones tienen como fin mejorar la estabilidad de los asfaltos a los cambios de temperatura durante el almacenamiento.
Zhang et. al, en el 2002; en su investigación modifican el asfalto utilizando un polímero de estireno-butadieno-estireno y adición de Azufre elemental como aditivo; la incorporación del SBS y Azufre en el asfalto disminuye la fragilidad, mejora la estabilidad durante el almacenamiento del asfalto modificado y aumenta la vida útil del pavimento.
Lan Lu et. al., en el 2007; en su investigación reforzaron el polímero de estireno butadieno-estireno SBS con nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) solubilizados en tetrahidrofurano; para obtener un nanocomposito SBS/MWCNT con mayor resistencia mecánica que el polímero SBS convencional.
Saeed et al y Shaopeng et al en el 2009; en su investigación, estudiaron los efectos que ejercen las nanoarcillas en las propiedades Teológicas del ligante asfáltico, demostrando que este nanocompuesto aumenta la rigidez y la resistencia al envejecimiento de los asfaltos.
Eidt, Jr. et. al., patentaron en el 1997 un nanocomposito que contiene concentraciones entre 0,1% y 15% en p/p de mineral arcilloso (mormorillonita) en asfalto, para mejorar el comportamiento de la capa inferior de rodadura y absorber el ruido producido por el tráfico.
Menta et. al. en el 2009 patentó un nanocomposito de asfalto con nano-partículas de material arcilloso; este incluye un contenido de mineral entre el 1 hasta el 15% de material arcilloso laminado; este material es útil para utilizarlo como material de recubrimientos en tejas y otros accesorios.
Guoliang Wu, et. al., en el 2010; en su investigación; preparó y estudió las propiedades de un nanocompuesto de copolímero tribloque estireno-butadieno-estireno hidroxilado (HO-SBS) con nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados con cloruro de acilo (MWCNTs-COCI); sus resultados demostraron que el nuevo nanocompuesto tiene estructura reticulada y alta resistencia a los disolventes.
Berzinis en el 2011 ; patentó un método para la preparación de un nanocomposito que contiene: polímero de estireno, nanoparticulas de arcillas y un emulsificante; el material obtenido mejora la rigidez y la resistencia al calor del polímero.
Zhanping et al, en el 2011; en su investigación realizó la adición de nanoarcillas en asfaltos, usando porcentajes superiores al 4% y encontró que: a esta concentración se reduce potencialmente el ahuellamiento y el agrietamiento de la mezcla.
DIVULGACION DE LA INVENCION
La modificación de asfalto con polímeros, tiene por objeto retardar el envejecimiento, la deformabilidad y susceptibilidad térmica, así como también para mejorar la resistencia mecánica a las solicitudes del tráfico, la calidad del servicio y la vida útil de un pavimento flexible.
La susceptibilidad térmica es un fenómeno caracteristico del asfalto, que depende de los cambios de temperatura. A temperatura ambiente, su consistencia es semisólida, se comporta como un material termoplástico; a bajas temperaturas y bajo cargas rápidas se vuelve frágil alcanzan una consistencia de sólido quebradizo, ocasionando grietas transversales y agrietamiento térmico; mientras que, a altas temperaturas y bajo cargas sostenidas, se comporta como un líquido viscoso, lo cual provoca ahuellamiento en las mezclas asfálticas del pavimento.
Por su parte, los polímeros son compuestos orgánicos de alto peso molecular, obtenidos a partir de la unión de monómeros por polimerización, este proceso forma una estructura de red que le confiere resistencia mecánica y mejoran el desempeño del mismo. En estos materiales el aumento en la temperatura hace que se ablanden, pero al enfriarse recuperan su estado sólido, esto hace que se comporten como: termoplásticos, termoelásticos o termoelastoplastos; por ejemplo el SBS y el EVA son termoelastoplastos.
El uso de polímeros, para la modificación de asfaltos busca mejorar las propiedades viscoelásticas del bitumen como: la elasticidad, la flexibilidad, la consistencia y la durabilidad, para evitar las deformaciones o fisuraciones en el pavimento; también mitigan las deficiencias que presenta el asfalto en sus propiedades mecánicas. La selección del polímero depende de las propiedades que se deseen mejorar y del comportamiento que se espera para el asfalto.
Los modificadores poliméricos utilizados en materiales asfálticos se clasifican así:
Polímero Tipo I. Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas tanto a altas como a bajas temperaturas. Es fabricado con base en bloques de estireno en polímeros elastoméricos radiales de tipo bibloque o tribloque, mediante configuraciones como Estireno-Butadieno-Estireno (SBS) o Estireno-Butadieno (SB), entre otras.
Polímero Tipo II. Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas a bajas temperaturas. Es fabricado con base en polímeros elastoméricos lineales, mediante una configuración de caucho de Estireno, Butadieno- látex o Neopreno-látex. Se utilizan en pavimentos para climas fríos y templados, así como para elaborar emulsiones que se utilicen en tratamientos superficiales.
Polímero Tipo III. Mejora la resistencia a las roderas de las mezclas asfálticas, disminuye la susceptibilidad a la temperatura del cemento asfáltico y mejora su comportamiento a altas temperaturas. Es fabricado con base en un polímero de tipo elastómero, mediante configuraciones como Etil-Vinil-Acetato (EVA) o polietileno de alta o baja densidad, entre otras. Se utilizan en climas calientes, en mezclas asfálticas para carpetas estructurales de pavimentos con elevados índices de tránsito, así como para elaborar emulsiones que se usan en tratamientos superficiales. Los polímeros de (estireno-butadieno-estireno) SBS y el EVA (etil-vinil-acetato) son los materiales convencionales más comúnmente utilizados para la modificación de asfaltos. El estireno-butadieno-estireno (SBS) a bajas y altas temperaturas, optimiza las propiedades del asfalto como son: penetración, punto de ablandamiento, susceptibilidad térmica, etc. El Etil Vinil Acetato (EVA) contiene un grupo carbonita en su estructura y mejora la rigidez y elasticidad a altas temperaturas y altas cargas.
El SBS y EVA son polímeros que, de acuerdo a su comportamiento mecánico, son preferentes para la modificación de asfaltos. Otros polímeros poco convencionales como el estireno butadieno rubber (SBR), Polipropileno (PP), Poliestireno, entre otros, tienen el mismo objetivo en la modificación de asfaltos; ya que a temperaturas elevadas, reducen la deformación permanente de la capa de rodadura de las vías como consecuencia de la frecuencia de las cargas y los cambios climáticos bruscos.
En el campo de la producción de nanocompuestos de polímero, los nanotubos de carbono han atraído un gran interés por sus únicas propiedades estructurales y de conducción, tales como una excelente resistencia, módulo, conductividades eléctricas y térmicas, además de su baja densidad. Tales compuestos prometen suministrar propiedades mecánicas excepcionales y características multifuncionales, sin embargo, si estos materiales quieren utilizarse como refuerzo efectivo en compuestos, debe garantizarse una apropiada dispersión y un buen enlace interfacial entre los nanotubos de carbono y la matriz. Por lo tanto, el grado de eficiencia de los nanotubos de carbono en la mejora de las propiedades del medio receptor está fuertemente ligado a la dispersión de los mismos. De hecho, la dispersión homogénea de los nanotubos en el medio receptor, ya sea en estado sólido o líquido, es uno de los principales retos encontrados en el área de sus aplicaciones. Los nanotubos de carbono son un material aglomerado que se agrupa entre sí y enreda; por lo tanto, la funcionalización de los nanotubos de carbono es una de las formas utilizadas para mejorar la compatibilidad de los nanotubos y el material receptor. Igualmente, la solubilidad de los nanotubos de carbono en solventes comunes puede mejorarse por la presencia de grupos funcionales en su superficie; además que los nanotubos de carbono funcional izados químicamente pueden producir enlaces interfaciales fuertes con muchos polímeros y, por otro lado, ayudar a reticular aun mas la estructura polimérica debido a los múltiples enlaces que generan a lo largo de su superficie con el polímero matriz.
Por su parte, el asfalto se compone de dos fracciones; una de maltenos (viscosa) conformada por las parafinas, resinas y aromáticos y otra sólida que contiene los asfáltenos. Esta última juega un papel importante en la compatibilidad con polímeros, ya que cuanto menor sea el contenido de asfáltenos en los asfaltos, será más afín con el polímero cuando forman estructura tipo red en el asfalto. El asfalto modificado, adquiere la capacidad de absorber los esfuerzos siendo más resistentes a Asurarse y deformarse, características que producen defectos físicos como: agrietamiento y ahuellamiento. Estos problemas mecánicos son frecuentes; además, son los que justifican el mejoramiento en las propiedades mecánicas de los asfaltos.
La incorporación de un polímero para la modificación de asfalto, no depende únicamente de la compatibilidad química de estos, también es importante conocer el proceso de adición del polímero. El proceso, se da en dos etapas; en la primera, el polímero se dispersa en el asfalto sin ejercer efecto en las propiedades; en la segunda las partículas del polímero absorben los maltenos hinchándose para dispersarse, siendo esta la etapa en que tienen lugar los cambios Teológicos más significativos en la mezcla; cabe notar, además, que algunos polímeros pueden reaccionar con ciertos componentes del asfalto.
Las propiedades reológicas del asfalto modificado, dependen de la composición y naturaleza de los aditivos empleados. Estas propiedades determinan las condiciones de mezclado y compactación en la preparación de la mezcla asfáltica. Un mezclado y compactación ideal se dan cuando el asfalto modificado se comporta como un material equi-viscoso a una temperatura determinada, esto minimiza el efecto que puede causar la rigidez del ligante sobre las propiedades volumétricas de la mezcla durante el mezclado caliente en planta.
Hasta el momento, las investigaciones que se han presentado en lo que respecta a la modificación de asfaltos, muestran el uso de aditivos como: caucho, polímeros tratados con ácido, polímeros SBS con azufre, compuestos de nanoarcilla-polímero o nanoarcillas como aditivos para: mejorar la estabilidad del asfalto a los cambios de temperatura durante el almacenamiento, disminuir la fragilidad del asfalto, aumentar la vida útil del pavimento, aumentar la rigidez, aumentar la resistencia al envejecimiento, absorber el ruido en pavimentos, reducir potencialmente el ahuellamiento y el agrietamiento de la mezcla. No se han utilizado hasta la fecha nanocompuestos poliméricos basados en nanotubos de carbono aplicados en la modificación de asfaltos, ni se ha implementado como modificador de asfalto polímero SBS nanocompuesto con nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados.
Esta invención tiene como objetivo (a preparación de un polímero nanocompuesto SBS/MMWCNT diseñado para usarse como modificador de un asfalto; esto tiene como fin proponer al sector de la construcción vial, pavimentos asfálticos larga-vida (basados en mezclas asfálticas de alto módulo). Además, el uso de esta invención tiene un impacto importante para la estructura vial, la cual ayuda a satisfacer de manera eficaz las necesidades de la sociedad moderna y, mas aún, es un desafío para las actividades industriales y económicas, a tal punto que se considera una nueva era de revolución industrial.
En esta invención se modifica un asfalto con: un polímero estireno-butadieno-estireno SBS nanocompuesto con nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados (MMWCNT). La preparación y funcionalización de un polímero SBS nanocompuesto diseñado para usarse como modificador de asfalto, la modificación del asfalto y la evaluación de algunas propiedades Teológicas de los asfaltos modificados, permiten conocer la influencia del nanocompuesto polimérico de SBS/MMWCNT en dichas propiedades. El asfalto se modifica con tal polímero nanocompuesto permitiendo obtener un asfalto apto para producir mezclas de alto módulo a partir de un bitumen de dureza media, útil en la construcción de pavimentos larga vida.
De acuerdo a la invención, el asfalto a modificar se trata de un asfalto base. Para su modificación se obtiene inicialmente el polímero nanocompuesto (SBS/MMWCNTs) para luego ser mezclado con el asfalto base así:
1. En una realización de la invención el polímero nanocompuesto se obtiene de un polímero SBS en forma de pellets o migas (crumbs), nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados (MMWCNTs) y uno o más disolventes.
2. Los nanotubos de carbono de paredes múltiples deben tener un diámetro que oscila entre los 5-50nm y una longitud entre 1-30 μm. El solvente empleado puede ser xilenos, tolueno, acetona, tetrahidrofurano, cloroformo, ciclohexano, etanol, metanol, propanol, dimetilformamida, o una combinación de ellos. Los nanotubos de carbono de pared múltiple empleados en la preparación del nanocompuesto (MMWCNT) pueden ser funcionalizados con grupos hidroxilo, MWCNT-OH, con grupos de ácido carboxílico, MWCNT-COOH, con grupos amino, MWCNT-Amina, con fenol, MWCNT-Fenol, o con grupos alquilo.
3. La preparación del aditivo nanocompuesto SBS/MMWCNT se realiza empleando ultrasonido y agitación mecánica (proceso de "solution casting"). Los MMWCNT se dispersan inicialmente en un solvente mediante ultrasonido y/o agitación mecánica, mientras tanto, los pellets/migas de SBS se disuelven en un disolvente empleando agitación mecánica. 4. Las soluciones preparadas de SBS y MMWCNT según el paso 3; se deben mezclar mediante ultrasonido y agitación mecánica. La solución homogenizada se somete a evaporación del solvente, mediante un rotoevaporador, un secador, un evaporador, un sistema de destilación al vacío o algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa. 5. La solución viscosa homogénea de SBS/MMWCNT del paso 4, se sirve sobre platos, bandejas metálicas o bandas transportadoras, de vidrio u algún material que sea químicamente estable con el solvente utilizado; los cuales se deben introducir en un horno de vacío u horno de convección a una temperatura entre 30°C y 100°C, hasta obtener la evaporación del solvente remanente y las láminas del polímero nanocompuesto secas. Posteriormente, las láminas de polímero se cortan para obtener piezas con una dimensión máxima entre 0,2cm y 4cm. 6. La preparación del aditivo SBS convencional se realiza a partir de pellets/migas del polímero y se disuelve en un disolvente para obtener una mezcla homogénea, la cual se introduce en un rotoevaporador, evaporador, secador, sistema de destilación al vacío u algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa; así mismo, se crean películas del polímero SBS puro según el procedimiento indicado en los pasos 4 y 5. Después de preparadas las láminas del aditivo SBS/MMWCNT, se procede a modificar el asfalto. Las muestras de asfalto modificado con SBS se preparan por medio de agitación mecánica.
Para iniciar el proceso de modificación; el asfalto base se calienta hasta condición fluida (150 ± 50°C), para luego añadir las piezas de polímero nanocompuesto al bitumen base, durante el proceso se mantuvo agitación mecánica y temperatura durante un periodo comprendido entre 0,5 a 7 horas, hasta que se logra la homogeneidad del ligante asfáltico. El mismo proceso se aplica para modificar el asfalto base con el polímero SBS convencional. Las concentraciones de polímero en el asfalto base se encuentran entre 3, 5 y 7% en peso.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Curvas Teológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados.
Figura 2. Curvas Teológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados, luego del envejecimiento RTFOT.
Figura 3. Resultados de pérdida de masa del ensayo de envejecimiento RTFOT para los asfaltos modificados.
MEJOR MANERA DE REALIZAR LA INVENCION
En esta invención se presenta un método de preparación de un nanocompuesto polimérico de SBS/MMWCNT (polímero estireno-butadieno-estireno/nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados) empleado para modificar un asfalto de penetración media, también se presenta el procedimiento de modificación del asfalto, el cual no requiere del uso de maquinaria adicional a la que emplean las plantas productoras de asfalto modificado con polímero. La modificación de asfalto con tal polímero nanocompuesto permite obtener un asfalto apto para producir mezclas de alto módulo, a partir de un bitumen de dureza media que permite producir, además, mezclas asfálticas que no son susceptibles a la humedad. EJEMPLOS DE REALIZACIÓN
Ejemplo 1. Se modificó un asfalto 60/70 con nanocompuesto polimérico SBS/MMWCNT, en el que los MMWCNT eran MWCNT-OH (nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados con grupos hidroxilo), de acuerdo al proceso relatado en esta invención, y se caracterizó mediante los ensayos de viscosidad, envejecimiento RTFOT y deformación "Múltiple Stress Creep and Recovery" (MSCR).
Ejemplo 2. Los ensayos de viscosidad se realizaron empleando un Reómetro de Corte Dinámico (DSR) AR-2000ex con accesorio de platos paralelos de 25mm de diámetro. Las mediciones se tomaron a temperaturas de 60°C, 80°C, 100°C, 120°C y 140°C. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 1.
Ejemplo 3. En la figura 1 se reportan las gráficas de las curvas Teológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados, resultantes de las mediciones de viscosidad; estos muestran que la viscosidad de los asfaltos modificados fué la misma para cada una de las diferentes concentraciones, para con el polímero convencional o el polímero nanocompuesto.
Ejemplo 4. Las curvas reológicas que se muestran en la figura 2, reportan las mediciones de viscosidad realizadas al asfalto acondicionado y los asfaltos modificados luego del envejecimiento RTFOT. En este caso, puede observarse un comportamiento diferente en la muestra de asfalto modificado con 7% de polímero nanocompuesto SBS/MWCNT-OH, la cual exhibió un aumento mayor en su viscosidad en comparación del cambio mostrado con la muestra de asfalto modificado con 7% de polímero SBS convencional. Los asfaltos modificados con 3% de polímero y polímero nanocompuesto siguieron presentando aproximadamente la misma viscosidad; en el ligante asfáltico modificado con 5% de polímero nanocompuesto se observa un leve aumento en su viscosidad en comparación con el ligante modificado con 5% de polímero convencional. Esto podría indicar que durante el proceso de envejecimiento RTFOT, que simularía la oxidación y acondicionamiento que sufre el ligante asfáltico durante la preparación de la mezcla asfáltica, se podrían generar una serie de interacciones del nanocompuesto polimérico en el asfalto que refuerzan la estructura de red polimérica disminuyendo la susceptibilidad térmica del ligante cuando este se adiciona a concentraciones superiores a un 5% en peso.
Ejemplo 5. El ensayo de envejecimiento RTFOT se utiliza para conocer el grado de envejecimiento y pérdida de masa del asfalto al someterlo a una temperatura de 163 °C en película rotatoria durante 85 minutos, simulando el envejecimiento que sufre el ligante bajo las condiciones de preparación de la mezcla asfáltica en caliente. La figura 3 muestra los resultados de este ensayo.
Ejemplo 6. La Figura 3 muestra los resultados del ensayo de RTFOT. La pérdida de masa en RTFOT fué menor para el asfalto acondicionado y aumentó con la concentración de polímero en los ligantes, pero fué inferior para todos los bitúmenes modificados con el polímero nanocompuesto que con el polímero puro, la principal diferencia se encontró para el asfalto modificado con 7% de polímero nanocompuesto, el cual exhibió alrededor de un 40% de menor pérdida de masa que el modificado con 7% de polímero convencional. En este caso, se evidencia que a altas temperaturas el asfalto modificado con polímero SBS nanocompuesto presenta caracteristicas de "nanofluido", gracias a que los nanotubos de carbono tienen propiedades térmicas de difusión excepcionales y esto hace que un asfalto que contenga una buena dispersión de nanotubos de carbono mejore sus propiedades, ya que dispersan el calor más rápido, mejor y de una manera más eficiente. Por lo tanto, un asfalto modificado con polímero SBS-MMWCNT es menos susceptible al envejecimiento térmico.
Ejemplo 7. Los ensayos de MSCR, "Múltiple Stress Creep and Recovery". En las tablas del 1 al 4 se muestran los resultados de los ensayos MSCR realizados a los asfaltos modificados envejecidos en RTFOT y su clasificación de acuerdo a las especificaciones para el ensayo de MSCR.
Ejemplo 8. Los ensayos de MSCR, mostraron que la deformación no recuperable (non- recoverable compliance Jnr) disminuye con el aumento en la concentración del polímero convencional y del polímero nanocompuesto, mientras que la Recuperación elástica aumenta con el aumento en la concentración de modificadores a todas las temperaturas evaluadas, y ambas propiedades exhiben aproximadamente la misma magnitud cuando el asfalto se modifica con cualquiera de estos materiales a concentraciones hasta de un 5%. A mayor concentración de polímero nanocompuesto o convencional en el asfalto, la deformación no-recuperable Jnr del bitumen modificado con el polímero nanocompuesto está entre un 35-45% menor que la Jnr del bitumen modificado con el polímero convencional, siendo el primero menos deformable (más rígido); además, el bitumen modificado con 7% de polímero nanocompuesto no es sensible a las cargas a temperaturas hasta de 82°C, mientras que el bitumen modificado con 7% de polímero tradicional es sensible a las cargas a temperaturas de 76°C y superiores. Estos resultados permiten apreciar una mayor rigidez en el asfalto modificado con 7% de SBS nanocompuesto, a pesar de su menor pérdida de peso en comparación con el asfalto modificado con SBS tradicional.
Ejemplo 9. La tabla 5 muestra los resultados de los ensayos de deformación acumulada en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocompuesto SBS/MWCNT-OH. La deformación acumulada para la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocompuesto es inferior en más de un 30% a la sufrida por la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS e inferior en más de un 60% a la sufrida por la mezcla asfáltica fabricada con el asfalto 60/70.
Ejemplo 10. La tabla 6 muestra los resultados de los ensayos de módulos dinámicos en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocompuesto SBS/MWCNT-OH. El módulo dinámico promedio para la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocompuesto permite que ésta sea clasificada como una Mezcla de Alto Módulo (>10MPa), éste es superior en más de un 20% al presentado por la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS y superior en más de un 50% al presentado por la mezcla asfáltica fabricada con el asfalto 60/70.
Ejemplo 11. La tabla 7 muestra los resultados de los ensayos de susceptibilidad a la humedad en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocompuesto SBS/MWCNT-OH. El resultado indica que la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocompuesto no es susceptible al deterioro por humedad, al igual que la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS, por lo tanto, los nanomateriales presentes en el asfalto nanocompuesto no ejercen un efecto negativo en la interfase asfalto - agregado pétreo.
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000018_0001

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito, SBS/MMWCNT caracterizado porque el proceso comprende las etapas de:
1) Preparar un aditivo de polímero nanocompuesto mediante un polímero de estireno-butadieno-estireno SBS con nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados (MMWCNTs) y la ayuda de disolventes.
2) Introducir y mezclar el polímero nanocompuesto con el asfalto base para formar la composición de asfalto modificado.
2. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa de preparación del polímero nanocompuesto, el nanocompuesto de estireno-butadieno- estireno se encuentra en forma de pellets o migas (crumbs), y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MMWCNT) son funcionalizados.
3. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 2, caracterizado porque los nanotubos de carbono de pared múltiple (MMWCNT) son funcionalizados con grupos hidroxilo, MWCNT-OH, con grupos de ácido carboxílico, MWCNT-COOH, con grupos amino, MWCNT-Amina, con fenol, MWCNT-Fenol, o con grupos alquilo.
4. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 3, caracterizado porque el polímero SBS y los nanotubos funcionalizados se disuelven separadamente mediante uno o mas solventes.
5. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 4, caracterizado porque el solvente empleado puede ser xilenos, tolueno, acetona, tetrahidrofurano, cloroformo, ciclohexano, etanol, metanol, propanol, dimetilformamida, o una combinación de ellos, con una relación en peso solvente/polímero entre 1 a 20 y con una relación en peso solvente/MMWCNT entre 10 a 10000.
6. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 5, caracterizado porque los nanotubos funcionalizados MMWCNT, se dispersan en el solvente mediante la aplicación de ultrasonido durante un periodo no superior a 24 horas.
7. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 6, caracterizado porque los nanotubos de carbono de paredes múltiples tienen un diámetro entre los 5-50nm y una longitud entre 1-30 μm.
8. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 7, caracterizado porque la solución de polímero SBS y la dispersión de nanotubos MMWCNT se mezclan y homogenizan mediante ultrasonido y/o agitación mecánica, por un periodo no superior a 4 horas.
9. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 8, caracterizado porque las soluciones preparadas de SBS y MMWCNT; se mezclan mediante ultrasonido y agitación mecánica hasta su homogenización.
10. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 9, caracterizado porque la solución homogenizada se somete a evaporación del solvente, mediante un rotoevaporador, un secador, un evaporador, un sistema de destilación al vacío o algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa.
11. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 10, caracterizado porque la solución viscosa homogénea de SBS/MMWCNT se sirve sobre platos, bandejas metálicas o bandas transportadoras, de vidrio u algún material que sea químicamente estable con el solvente utilizado; los cuales se introducen en un horno de vacío u horno de convección a una temperatura entre 30°C - 100°C, hasta obtener la evaporación del solvente remanente y producir las láminas del polímero nanocompuesto SBS/MMWCNT secas.
12. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 11 , caracterizado porque las láminas de nanocompuesto SBS/MMWCNT se cortan con una dimensión máxima de 0,2 cm - 4 cm.
13. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 1, caracterizado por introducir y mezclar el polímero nanocompuesto SBS/MMWCNT con el asfalto base.
14. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 13, caracterizado porque el asfalto base se calienta hasta condición fluida a una temperatura entre 100°C y 200°C para adicionar las piezas de naocompuesto SBS/MWCNT.
15. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT, según reivindicación 14, caracterizado porque la mezcla de bitumen base y el polímero nanocompuesto se homogenizan mediante agitación mecánica durante un período comprendido entre 0,5 a 7 horas.
16. Procedimiento para la obtención de asfalto modificado con nanocomposito SBS/MMWCNT , según reivindicación 15, caracterizado porque la concentración de polímero nanocompuesto en el asfalto base se encuentra entre 3- 7 %.
PCT/CO2013/000005 2012-08-22 2013-08-21 Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwcnt y el procedimiento para su obtención WO2014029372A2 (es)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/412,239 US9353292B2 (en) 2012-08-22 2013-08-21 Asphalt modified with an SBS/MMWCNT nanocomposite and production method thereof
ES13831646T ES2892352T3 (es) 2012-08-22 2013-08-21 Asfalto modificado con un nanocomposite de sbs/mwcnt y el procedimiento para su obtención
EP13831646.8A EP2889331B1 (en) 2012-08-22 2013-08-21 Asphalt modified with an sbs/mwcnt nanocomposite and production method thereof
US15/140,662 US20160289413A1 (en) 2012-08-22 2016-04-28 Asphalt modified with an sbs/mmwcnt nanocomposite and production method thereof

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CO12142253 2012-08-22
CO12142253A CO6630032A1 (es) 2012-08-22 2012-08-22 Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwct y el prodcedimiento para su obtención

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/412,239 A-371-Of-International US9353292B2 (en) 2012-08-22 2013-08-21 Asphalt modified with an SBS/MMWCNT nanocomposite and production method thereof
US15/140,662 Continuation US20160289413A1 (en) 2012-08-22 2016-04-28 Asphalt modified with an sbs/mmwcnt nanocomposite and production method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2014029372A2 true WO2014029372A2 (es) 2014-02-27
WO2014029372A3 WO2014029372A3 (es) 2014-04-10

Family

ID=49115711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CO2013/000005 WO2014029372A2 (es) 2012-08-22 2013-08-21 Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwcnt y el procedimiento para su obtención

Country Status (5)

Country Link
US (2) US9353292B2 (es)
EP (1) EP2889331B1 (es)
CO (1) CO6630032A1 (es)
ES (1) ES2892352T3 (es)
WO (1) WO2014029372A2 (es)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160130474A1 (en) * 2014-11-12 2016-05-12 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
EP3207095A4 (en) * 2014-10-15 2018-06-27 Associated Asphalt Marketing, LLC Fuel-resistant liquid asphalt binders and methods of making the same
US20200354271A1 (en) * 2017-11-02 2020-11-12 Stc.Unm Pultruded GFRP Reinforcing Bars, Dowels and Profiles with Carbon Nanotubes

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11565972B2 (en) * 2016-08-25 2023-01-31 Cornell University Bitumen nanocomposites and uses thereof
US12187871B2 (en) * 2017-08-25 2025-01-07 The Boeing Company Carbon nanotube enhanced polymers and methods for manufacturing the same
RU2675515C1 (ru) * 2017-11-10 2018-12-19 Общество с ограниченной ответственностью "КАРБОН НАНО" Способ введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия и применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок
RU2669835C1 (ru) * 2017-11-10 2018-10-16 Общество с ограниченной ответственностью "КАРБОН НАНО" Способ введения адгезионных добавок, содержащих одностенные, и/или двустенные, и/или многостенные углеродные нанотрубки, в битумы нефтяные дорожные вязкие и применение адгезионных добавок, содержащих одностенные, и/или двустенные, и/или многостенные углеродные нанотрубки, в составе битумов нефтяных дорожных вязких
CN109054518B (zh) * 2018-07-06 2020-09-22 华南理工大学 一种基于界面改性的含纳米二氧化钛尾气降解路面的制备方法
CN112745692A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 中国石油化工股份有限公司 端羟基化sbs/石墨烯复合改性沥青及其制备方法
KR102150381B1 (ko) * 2020-01-28 2020-09-01 주식회사 티앤테크 개질 아스팔트 혼합물
RU2761220C1 (ru) * 2020-12-15 2021-12-06 Общество с ограниченной ответственностью "БЮРО ДОРОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" Модификаторы для полимерно-битумного вяжущего на основе сред II Вакуумный погон и Экстракт селективной очистки остаточный
CN113416426B (zh) * 2021-07-01 2022-09-23 海南恒建沥青路面有限公司 一种sbs复合改性沥青的制备方法
CN113698681B (zh) * 2021-09-23 2023-03-14 山东高氏科工贸有限公司 纳米改性沥青改性剂及其制备方法
CN113845780B (zh) * 2021-11-09 2023-05-30 山东高速济南绕城西线公路有限公司 一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法和应用
CN114368924B (zh) * 2021-12-31 2022-09-23 杭州航弘建设科技有限公司 高模量沥青混凝土添加剂及其制备方法和应用
CN117211163B (zh) * 2023-08-26 2024-09-06 宁波天意卓越新材料科技有限公司 一种非机动车道的钢桥面铺装结构及其制备方法
CN118085415B (zh) * 2024-04-26 2024-07-09 安徽大学 基于废塑料催化裂解的沥青路面抗车辙改性剂及其应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3911235B2 (ja) 2000-09-21 2007-05-09 ローム アンド ハース カンパニー 改質ナノ複合材組成物およびそれを作成および使用する方法
US20070213418A1 (en) 2004-05-18 2007-09-13 Vermilion Donn R Asphalt-filled polymers
CN102276995B (zh) 2005-12-29 2014-04-09 费尔斯通聚合物有限责任公司 改性沥青结合料和沥青铺设组合物
CN101077935A (zh) 2007-04-13 2007-11-28 广州路翔股份有限公司 一种高弹性改性沥青的生产工艺
FR2937324B1 (fr) * 2008-10-22 2012-03-16 Arkema France Procede de preparation d'un materiau composite a base de nanotubes, notamment de carbone

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3207095A4 (en) * 2014-10-15 2018-06-27 Associated Asphalt Marketing, LLC Fuel-resistant liquid asphalt binders and methods of making the same
US20160130474A1 (en) * 2014-11-12 2016-05-12 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
WO2016077542A1 (en) * 2014-11-12 2016-05-19 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
US10308839B2 (en) 2014-11-12 2019-06-04 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
US10544331B2 (en) 2014-11-12 2020-01-28 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
US11142667B2 (en) 2014-11-12 2021-10-12 Dongre Laboratory Services, Inc. Asphalt additive compositions and methods of making and using thereof
US20200354271A1 (en) * 2017-11-02 2020-11-12 Stc.Unm Pultruded GFRP Reinforcing Bars, Dowels and Profiles with Carbon Nanotubes

Also Published As

Publication number Publication date
EP2889331B1 (en) 2021-08-04
US9353292B2 (en) 2016-05-31
US20160289413A1 (en) 2016-10-06
EP2889331A2 (en) 2015-07-01
WO2014029372A3 (es) 2014-04-10
ES2892352T3 (es) 2022-02-03
EP2889331A4 (en) 2016-04-20
US20150184026A1 (en) 2015-07-02
CO6630032A1 (es) 2013-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014029372A2 (es) Asfalto modificado con un nanocomposito de sbs/mmwcnt y el procedimiento para su obtención
Porto et al. Bitumen and bitumen modification: A review on latest advances
Yu et al. Workability and mechanical property characterization of asphalt rubber mixtures modified with various warm mix asphalt additives
Ameli et al. RETRACTED: Permanent deformation performance of binders and stone mastic asphalt mixtures modified by SBS/montmorillonite nanocomposite
Al-Mansob et al. Physical and rheological properties of epoxidized natural rubber modified bitumens
Golestani et al. Nanoclay application to asphalt concrete: Characterization of polymer and linear nanocomposite-modified asphalt binder and mixture
Zhang et al. High and low temperature properties of nano-particles/polymer modified asphalt
Nejad et al. Investigating the properties of crumb rubber modified bitumen using classic and SHRP testing methods
Haddadi et al. Effects of the manufacturing process on the performances of the bituminous binders modified with EVA
JP6830832B2 (ja) アスファルト組成物
CN102838874B (zh) 一种沥青改性剂、改性沥青以及沥青混合料
Al-Sabaeei et al. A review of using natural rubber in the modification of bitumen and asphalt mixtures used for road construction
Mashaan et al. Effect of blending time and crumb rubber content on properties of crumb rubber modified asphalt binder
Mubaraki et al. Rheological evaluation of asphalt cements modified with ASA polymer and Al2O3 nanoparticles
Hasan et al. Evaluation of different conditions on the mixing bitumen and carbon nano-tubes
Shaffie et al. Effect of mixing variables on physical properties of modified bitumen using natural rubber latex
Arslan et al. Improvement of bitumen and bituminous mixtures performances by triethylene glycol based synthetic polyboron
Nassar et al. Evaluation of the effect of waste polystyrene on performance of asphalt binder
Ghuzlan et al. Using oil shale ash waste as a modifier for asphalt binders
CN105368084B (zh) 一种改性沥青及其制备方法
Singhal et al. Use of modified bitumen in highway construction
Wang et al. Rheological characterization of asphalt binders and mixtures modified with carbon nanotubes
Nebratenko et al. Influence of SBS polymers of various structure on the properties of semi-blown bitumen binders
Shaffie et al. Investigation on rutting performance of nanopolyacrylate and natural rubber latex polymer modified asphalt binder mixes
KR101375577B1 (ko) 친환경 중온 아스팔트 조성물의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14412239

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013831646

Country of ref document: EP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13831646

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2