PL203320B1 - Środek adhezyjny do asfaltów drogowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest środek adhezyjny do asfaltów drogowych stosowanych zarówno do otrzymywania mieszanek mineralno-bitumicznych, jak i do kationowych emulsji asfaltowych.

Mieszanka mineralno-bitumiczna, zwana zwyczajowo masą „na gorąco, stosowana jest do budowy poszczególnych warstw bitumicznych drogi. Ostatnia z tych warstw, mająca bezpośredni kontakt z kołami pojazdów zwana „warstwą ścieralną, wymaga zazwyczaj użycia środka adhezyjnego, który powoduje zwiększenie przyczepności asfaltu do kruszywa, a tym samym powoduje zwiększenie odporności wbudowanej mieszanki mineralno-bitumicznej na odmywanie wodą. Mieszanka mineralno-bitumiczna, w zależności od jej przeznaczenia i stosowanej technologii, zawiera 4 - 7% wagowych asfaltu oraz 93 - 96% wagowych kruszywa. Produkcja mieszanek mineralno-bitumicznych odbywa się w instalacjach zwanych potocznie otaczarniami, gdzie wysuszone i podgrzane do temperatury 160 - 180°C kruszywo otaczane jest odpowiednią ilością asfaltu o temperaturze 150 - 200°C.

Kationowe emulsje asfaltowe stosowane są zarówno jako warstwy konstrukcyjne drogi, służąc do sklejeń międzywarstwowych, jak również w drogowych technologiach remontowych i utrzymaniowych takich jak: powierzchniowe utrwalenie, czy też cienki dywanik na zimno (popularna nazwa „slurry seal). Emulsje takie zawierają 50 - 70% wagowych asfaltu, odpowiednio 50 - 30% wagowych wody i 0,18 - 1,5% wagowych emulgatora. Produkowane są w mł ynach emulsyjnych, do których dwoma strumieniami podawany jest w odpowiednich proporcjach, roztwór emulgatora w wodzie o temperaturze 35 - 45°C i asfalt o temperaturze 150 - 170°C. Parametry techniczne młyna (obroty, wielkość szczeliny, wielkość sił ścinających) limitują otrzymanie stabilnych emulsji asfaltowych. Dodatek środka adhezyjnego, zwiększającego przyczepność asfaltu do stosowanych w budownictwie drogowym kruszyw, zarówno w produkcji mieszanek mineralno-bitumicznych jak i w technologiach emulsyjnych, powoduje dokładniejsze otoczenie ziaren kruszywa asfaltem, i co się z tym wiąże, zwiększenie ich odporności na odmywanie. W konsekwencji, nawierzchnie wykonane z udziałem środka adhezyjnego, charakteryzują się zmniejszoną nasiąkliwością, wyższą wodo- i mrozoodpornością, co, szczególnie zimą (duża ilość tak zwanych przejść przez zero: dodatnia temperatura w dzień, ujemna w nocy) ma duże znaczenie dla trwałości nawierzchni.

Problem zwiększenia odporności nawierzchni drogowych, a przede wszystkim przedłużenie ich żywotności, nabrał w ostatnich latach szczególnego znaczenia. Zmiany klimatyczne (wysokie temperatury latem, duża ilość przejść przez zero zimą), a w szczególności wielokrotne zwiększenie obciążenia ruchem wszystkich kategorii dróg, spowodowały ich przyspieszoną degradację. Zmusiło to projektantów i wykonawców do sięgnięcia po rozwiązania znane wcześniej w innych krajach, a mianowicie stosowania asfaltów modyfikowanych polimerami. Najczęściej stosowanym do tego celu polimerem, jest kopolimer blokowy styren-butadien-styren (SBS), zawierający 20 - 50% wagowych styrenu i 50 - 80% wagowych butadienu. W zależności od potrzeb ilość polimeru wprowadzona do asfaltu wynosi 1,5 - 7,0% wagowych.

Modyfikacja asfaltu polimerem wpływa na dwa podstawowe parametry asfaltu: temperaturę łamliwości i temperaturę mięknienia, a mianowicie obniża temperaturę łamliwości zapobiegając pękaniu nawierzchni zimą, oraz podnosi temperaturę mięknienia, co zapobiega tworzeniu się kolein. Odporność na tworzenie się kolein, można również osiągnąć stosując do budowy warstwy ścieralnej mieszaniny mineralno-bitumiczne typu SMA (split mastyks asfalt). Są to mieszanki o podwyższonej zawartości asfaltu, zawierające w swoim składzie włókna (najczęściej celulozowe). Mieszanki SMA, jak i mieszanki z udziałem asfaltu modyfikowanego polimerami, produkowane są w temperaturach wyższych niż mieszanki zwykle stosowane, w związku z tym wymagają stosowania środków adhezyjnych o wysokiej odpornoś ci termicznej rzę du 200°C. W zależ noś ci od postaci ś rodka adhezyjnego oraz od możliwości technicznych, w wytwórniach mieszanek mineralno-bitumicznych stosuje się kilka sposobów dozowania środków adhezyjnych. Pierwsze stosowane środki adhezyjne miały postać pasty, jak środek przedstawiony w polskim opisie patentowym Nr 165031 i wymagały stopienia, a następnie ciągłego utrzymywania środka w temperaturze około 60 - 70°C w czasie dozowania. Wiązało się to z wyposażeniem wytwórni w ogrzewane instalacje do dozowania środka adhezyjnego, co generowało dodatkowe koszty na energię. W polskim opisie patentowym Nr 154111 opisano środek, który szczególnie w okresie letnim nie wymaga podgrzewania. Jego zastosowanie było jednak ograniczone ze względu na niską odporność termiczną w temperaturze 160-165°C. Środkiem wyraźnie poprawiającym sposób wytwarzania mieszanek mineralno asfaltowych na gorąco jest środek przedstawiony w polskim opisie patentowym Nr 184043. Jednak i on nie spełnia aktualnych wymagań stosowanych

PL 203 320 B1 technologii budowy dróg. W nowobudowanych wytwórniach mieszanek mineralno-bitumicznych dozowanie środka adhezyjnego rozwiązuje się w ten sposób, że podaje się go najczęściej do przewodu asfaltu lub na wagę asfaltu.

W wytwórniach starszego typu środek dozowany jest do zbiornika asfaltu, a następnie zawartość zbiornika jest mieszana pompą obiegową w celu dokładnego rozprowadzenia środka w asfalcie. Z uwagi na malej ą c ą aktywność znanych ś rodków adhezyjnych w czasie przebywania w wysokiej temperaturze, taki sposób wprowadzania środka nie jest polecany.

Szybki rozwój technologii drogowych stawia przed środkami adhezyjnymi wysokie i coraz to nowe wymagania. Nowoczesny środek adhezyjny nie powinien wpływać na właściwości fizykochemiczne asfaltu, nie powinien pogarszać właściwości mechanicznych mieszanek mineralno-bitumicznych, powinien wpływać korzystnie na właściwości reologiczne asfaltu, posiadać wysoką odporność termiczną, podnosić adhezję w stosunku do możliwie wszystkich rodzajów kruszyw stosowanych w budownictwie drogowym, wykazywać adhezję czynną (co umoż liwi jego zastosowanie w technologiach emulsyjnych) być stabilnym w czasie dłuższego magazynowania (do 24 miesięcy), zawierać maksymalną ilość substancji aktywnej oraz być wygodnym w stosowaniu. Dotychczasowe środki adhezyjne nie spełniały wszystkich tych wymagań. Opisany w polskim patencie Nr 154111 środek adhezyjny, zawierający w swoim składzie chlorki alkilometylo-di(polioksyetyleno)amoniowe charakteryzuje się niedostateczną odpornością termiczną. Jego rozkład i utrata właściwości adhezyjnych następuje w stosunkowo krótkim czasie już w temperaturze 160 - 165°C. Ponadto ze wzglę du na znaczną lepkość, środek wymaga podgrzewania, szczególnie wczesną wiosną i późną jesienią, gdy zewnętrzne temperatury są niskie. Znany z polskiego opisu patentowego Nr 165031 środek adhezyjny, będący produktem reakcji diamin tłuszczowych z chlorkiem metylu, wprawdzie charakteryzuje się termostabilnością w temperaturze około 180°C lecz, ze względu na swoją konsystencję, wymaga utrzymywania go w temperaturze 60 - 70°C podczas dozowania. Pociąga to za sobą konieczność użycia dodatkowej, ogrzewanej instalacji dozującej. Inną wadą powyższego środka jest niezbyt wysoka zawartość substancji aktywnej rzędu około 60% wagowych. Środek adhezyjny opisany w polskim patencie Nr 184 043, zawierający w swoim składzie alkiloamidopoliaminy i alkiloimidazoliny, N,N-di(polioksyetyleno) alkiloaminy, oleje mineralne, oraz niewielkie ilości polimeru styren-butadien-styren jest wprawdzie ciekły, charakteryzuje się odpornością termiczną w temperaturze około 180°C i zawiera około 70% wagowych substancji aktywnej ale okazuje się, że podczas dłuższego magazynowania następuje sedymentacja zawartego w nim polimeru styren-butadien-styren. Bardzo znacznie wzrasta wówczas lepkość środka na dnie zbiorników co praktycznie uniemożliwia pracę pompy. Jednocześnie środek pozbawiony polimeru styren-butadien-styren (w wyniku wypadania z roztworu) nie poprawia właściwości reologicznych asfaltu. Zawartość substancji aktywnej na poziomie około 70% wagowych jest obecnie postrzegana jako zbyt niska. Kolejną wadą jest niewielka adhezja czynna.

Parametr adhezji czynnej nabiera szczególnego znaczenia ponieważ środek wykazujący się taką właściwością może być stosowany zarówno w produkcji mieszanek mineralno-bitumicznych na gorąco, jak i do wytwarzania kationowych emulsji asfaltowych.

Celem wynalazku, było otrzymanie ciekłego, wysoce termostabilnego środka adhezyjnego, wykazującego adhezję zarówno bierną jak i czynną wpływającego pozytywnie na właściwości reologiczne asfaltu oraz mieszanek mineralno-bitumicznych, a jednocześnie stabilnego w czasie dłuższego magazynowania.

Środek według wynalazku zawiera: 0,3 - 23% wagowych olejów mineralnych o niskiej zawartości siarki i o temperaturze wrzenia powyżej 180°C, 0,5 - 10% wagowych frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 0,2 - 10% wagowych oleju talowego, 0,1 - 2% wagowych mieszaniny węglowodorów aromatycznych, zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen, 0,05 - 2,5% wagowych trietylenotetraaminy, 0,02 - 8% wagowych kopolimeru styren-butadien-styren oraz do 100% wagowych alkiloamidoamin i/lub alkiloamidopoliamin i/lub imidazolin posiadających w łańcuchu alkilowym od 12 do 22 atomów węgla.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że prowadząc częściowe zobojętnienie kwasów talowych zawartych w oleju talowym za pomocą trietylenotetraaminy w środowisku bezwodnym oraz w układzie rozpuszczalników organicznych, a następnie rozpuszczenie w tak otrzymanym układzie kopolimeru styren-butadien-styren oraz poprzez dodatkową stabilizację roztworu olejem mineralnym, otrzymuje się roztwór kopolimeru bardzo stabilny w czasie. W następnym kroku, mieszając w odpowiednim stosunku stabilny roztwór kopolimeru z układem alkiloamidoamina i/lub alkiloamidopoliamina i/lub imidazolina, otrzymuje się środek adhezyjny wykazujący obok adhezji biernej adhezję czynną.

PL 203 320 B1

Otrzymany środek eliminuje wady dotychczas znanych środków adhezyjnych, a przede wszystkim jest stabilny w czasie dłuższego magazynowania i nadaje się do wytwarzania emulsji asfaltowych.

W poniż szych przykładach przedstawiono sposób otrzymywania oraz otrzymane ś rodki o róż nym składzie. Właściwości poszczególnych środków ujęte są w tabelach.

P r z y k ł a d 1

Do reaktora wprowadzono 7,7 g oleju talowego i 13,5 g frakcji podestylacyjnej etylobenzenu. Zawartość reaktora ogrzano pod próżnią do temperatury 120 - 125°C w celu jej odwodnienia. Następnie wprowadzono przygotowany wcześniej roztwór kopolimeru SBS w 16,9 g mieszaniny węglowodorów aromatycznych, zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen. Wsad schłodzono do temperatury około 60°C i, nie przekraczając temperatury 100°C, dodano 1,1 g trietylenotetraaminy. Zawartość reaktora utrzymywano w temperaturze 100°C przez 2 godziny (przy ciągłym mieszaniu zawartości), po czym schłodzono do temperatury 70°C, i wprowadzono 16,9 g oleju mineralnego a później mieszano jeszcze około jedną godzinę. Wsad schłodzono do temperatury około 40°C i dodano 958 g mieszaniny alkiloamidoamin, alkiloamidopoliamin i imidazolin. Całość mieszano przez około 2 godziny w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny.

Dla tak otrzymanego środka oznaczono odporność termiczną w temperaturze 200°C metodą cienkiej warstwy, używając 0,2% wagowych środka adhezyjnego dla kruszywa bazaltowego i granitowego. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Oznaczenie adhezji biernej wykonano metodą gotowania dla dodatku 0,2% wagowych środka adhezyjnego dla bazaltu, granitu i amfibolitu. Wyniki przedstawiono w tabeli 2.

Adhezję czynną oznaczono metodą zanurzanej tacki. Oznaczenie wykonano dla dodatku 0,4% wagowych środka adhezyjnego dla: bazaltu, granitu i amfibolitu. Wyniki przedstawiono w tabeli 3.

Wyniki wpływu środka adhezyjnego na właściwości reologiczne asfaltu oraz mieszanki mineralno-bitumicznej przedstawiono w tabelach 4 i 5. W tabeli 6 przedstawiono wyniki badań stabilności środka po sześciu miesiącach magazynowania.

P r z y k ł a d 2

Według sposobu opisanego w przykładzie 1, otrzymano środek adhezyjny zawierający 7,7 g oleju talowego, 13,5 g frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 1,5 g kopolimeru SBS w 35 g mieszaniny węglowodorów aromatycznych zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen,

1,1 g trietylenotetraaminy, 35 g oleju silikonowego i 906,2 g mieszaniny alkiloamidoamin, alkiloamidopoliamin i imidazolin. Dla tak otrzymanego środka adhezyjnego, wykonano oznaczenia przedstawione w przykł adzie 1. Ich wyniki przedstawiono w tabelach 1-6.

P r z y k ł a d 3

Według sposobu opisanego w przykładzie 1, otrzymano środek adhezyjny zawierający 7,7 g oleju talowego, 13,5 g frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 0,4 g kopolimeru SBS w 8 g mieszaniny węglowodorów aromatycznych zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen,

1,1 g trietylenotetraaminy, 9 g oleju naftenowego i 906,3 g mieszaniny alkiloamidoamin, alkiloamidopoliamin i imidazolin. Dla tak otrzymanego środka adhezyjnego, wykonano oznaczenia przedstawione w przykł adzie 1. Ich wyniki przedstawiono w tabelach 1-6.

P r z y k ł a d 4

Według sposobu opisanego w przykładzie 1, otrzymano środek adhezyjny zawierający 7,7 g oleju talowego, 13,5 g frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 0,8 g kopolimeru SBS w 16,9 g mieszaniny węglowodorów aromatycznych zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen, 1,1 g dietylenotriaminy, 16,9 g oleju mineralnego i 958 g mieszaniny alkiloamidoamin, alkiloamidopoliamin i imidazolin. Dla tak otrzymanego środka adhezyjnego, wykonano oznaczenia jak w przykł adzie 1. Ich wyniki przedstawiono w tabelach 1-6.

P r z y k ł a d 5

Według sposobu opisanego w przykładzie 1, otrzymano środek adhezyjny zawierający 15,4 g oleju talowego, 27 g frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 0,8 g kopolimeru SBS w 16,9 g mieszaniny węglowodorów aromatycznych zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen,

1,1 g trietylenotetraaminy, 35 g oleju mineralnego i 920,8 g mieszaniny alkiloamidoamin, alkiloamidopoliamin i imidazolin. Dla tak otrzymanego środka adhezyjnego, wykonano oznaczenia jak w przykładzie 1. Ich wyniki przedstawiono w tabelach 1-6.

PL 203 320 B1

T a b e l a 1. Odporność termiczna w 200°C

Środek jak w przykładzie	Adhezja przed wygrzewaniem	Adhezja po wygrzewaniu w 200°C
granit	bazalt	granit	bazalt
1	85%	100%	83%	98%
2	83%	98%	72%	78%
3	85%	90%	63%	68%
4	73%	88%	51%	57%
5	77%	91%	63%	66%

T a b e l a 2. Adhezja bierna

Kruszywo	Adhezja bierna
bez dodatku środka	z dodatkiem 0,2% wagowych środka adhezyjnego jak w przykładzie;
1	2	3	4	5
granit	30%	89%	86%	85%	67%	54%
bazalt	40%	98%	93%	90%	73%	63%
amfibolit	35%	86%	80%	82%	60%	57%

T a b e l a 3. Adhezja czynna

Kruszywo	Adhezja czynna
bez dodatku środka	z dodatkiem 0,4% wagowych środka adhezyjnego jak w przykładzie;
1	2	3	4	5
granit	21%	77%	73%	70%	45%	32%
bazalt	33%	91%	85%	81%	64%	51%
amfibolit	28%	79%	71%	68%	46%	40%

T a b e l a 4. Wpływ dodatku środka adhezyjnego na właściwości reologiczne asfaltu

Parametr	Wyniki badań asfaltu
bez dodatku środka	z dodatkiem 0,2% wagowych środka adhezyjnego jak w przykładzie;
1	2	3	4	5
Penetracja w 25°C, 0,1 mm	61	57	60	61	59	59
Temperatura mięknienia PiK, °C	49,7	51,2	49,3	50	50,4	50,1
Temperatura łamliwości, °C	-15	-16,3	-15,1	-15	-14,8	-15

PL 203 320 B1

T a b e l a 5. Wpł yw dodatku ś rodka adhezyjnego według wynalazku na wł a ś ciwości mieszanki mineralno-bitumicznej

Parametr	Próbki kondycjonowane
bez środka adhezyjnego	0,2% środka adhezyjnego
w powietrzu	w 80°C	w powietrzu	w 80°C
Gęstość strukturalna, g/cm3	2,41	2,40	2,40	2,39
Wolna przestrzeń, %	6,9	7,1	7,2	7,4
Wytrzymałość na rozciąganie, MPa	1,36	0,91	1,45	1,23
Odkształcenie wg Marshalla, mm	2,7	2,8	2,4	2,8
Stosunek wytrzymałości, r/R	0,67	0,85

T a b e l a 6. Stabilność środka po 6 miesiącach magazynowania

Środek jak w przykładzie	Wygląd próbki
klarowność	rozwarstwienie	osad
1	klarowna	jednorodna	brak
2	klarowna	jednorodna	występuje
3	klarowna	jednorodna	występuje
4	klarowna	dwie warstwy	brak
5	mętna	jednorodna	występuje

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Ciekły, termostabilny i stabilny w czasie magazynowania środek adhezyjny do asfaltów drogowych, stosowanych do otrzymywania zarówno mieszanek mineralno - bitumicznych jak i kationowych emulsji asfaltowych, znamienny tym, że zawiera: 0,3 - 23% wagowych olejów mineralnych o niskiej zawartości siarki, o temperaturze wrzenia powyżej 180°C, 0,5 - 10% wagowych frakcji podestylacyjnej etylobenzenu, 0,2 - 10% wagowych oleju talowego, 0,1 - 2% wagowych mieszaniny węglowodorów aromatycznych, zawierających głównie 1,2,4-trimetylobenzen i 1-metylo,3-etylobenzen, 0,05 - 2,5% wagowych trietylenotetraaminy, 0,02 - 8% wagowych kopolimeru styren-butadien-styren oraz do 100% wagowych alkiloamidoamin i/lub alkiloamidopoliamin i/lub imidazolin posiadających w łańcuchu alkilowym od 12 do 22 atomów węgla.