Улучшение свойств вязких битумов

 

В разных странах проведены и проводятся многочисленные исследования, направленные на повышение качества битумов за счет введения добавок полимеров, ПАВ, пластификаторов, специальных структурообразующих добавок. Эти работы вызваны необходимостью решения следующих проблем:

− изменение свойств битумов таким образом, чтобы их можно было бы эффективно использовать в тех технологических и эксплуатационных условиях, где они вовсе непригодны или малоэффективны;

− экономия дефицитных по разным причинам в данном регионе или на данном объекте органических вяжущих, естественно без ухудшения их качества и качества готового материала и конструкции, где они применяются;

− расширение ресурсов органических вяжущих материалов, в частности, с целью увеличения объемов строительства дорог с твердым покрытием, с целью решения социальных вопросов и снижения транспортных расходов;

− повышение качества традиционных органических вяжущих материалов с целью повышения межремонтных сроков службы, в частности, дорожных одежд, а, следовательно, экономии органических вяжущих и минеральных материалов, трудо- и энергозатрат за счет уменьшения объемов ремонтных работ на дорогах, мостах и аэродромах, а также на объектах промышленного, гражданского и гидротехнического строительства;

− поиск и разработка новых видов органических вяжущих материалов с целью упрощения технологии их получения, расширения области применения органических вяжущих, как по климатическим зонам, так и по конструкциям; упрощения транспортировки вяжущих к местам потребления, увеличения сети дорог с твердым покрытием.

Все указанные задачи продиктованы нуждами практики, поэтому модифицированные битумы находят широкое применение в дорожном строительстве многих стран. В СНГ объемы применения таких материалов весьма ограничены. При этом следует отметить, что добавки, как правило, выбираются эмпирически, без должного научного обоснования, часто оказываются неэффективными, а иногда приводят к отрицательному эффекту.

В связи с этим возникла необходимость разработки теоретических основ получения и применения комплексных органических вяжущих для дорожного строительства.

Исходя из известного принципа, согласно которому качество асфальтобетонов определяется, главным образом, качеством битумных вяжущих, исследователи и дорожники-практики многих развитых стран пришли к выводу о целесообразности замены обычных битумов битумами, модифицированными полимерами (БМП). Начиная с 60-х годов, это направление битумных технологий развивалось достаточно интенсивно, но бессистемно: использовались разнообразные полимеры (на первом этапе – отходы производства), шел поиск технологий их совмещения с битумом. Только в конце прошлого столетия на Западе были сформулированы основные положения получения битумов, модифицированными полимерами. Они сводятся к следующему:

1) эффективными модификаторами битумов являются термоэластопластические полимеры;

2) замена в разнообразных асфальтобетонах обычного битума битумом с добавкой полимера повышает их долговечность;

3) для достижения высокого уровня качества БМП перспективным является непосредственное введение полимеров в битум;

4) выбор компонентов БМП должен учитывать соотношение параметров его качества и стоимости.

Учитывая важность вопроса для развития дорожной отрасли, в странах ЕС (2005 г.), в России (2003 г.) и в Украине (2007 г.) разработаны государственные стандарты на эти вяжущие. Более чем 10 % битумов, что используются в индустриально развитых государствах, содержат полимерные добавки.

По объемам применения полимеры размещаются в таком порядке: термоэластопласты типа стирол-бутадиен-стирол (СБС); термопласты типа этилен-винил-ацетата, полиизобутилен, полипропилен, разнообразные блоксополимеры; полимерные латексы; терполимеры типа этиленглицидилакрилата.

Термоэластопласты, благодаря своему составу и структуре, при других равных условиях отличаются высокой эластичностью (способностью к большим обратимым деформациям после прекращения деформирования или после снятия нагрузки). Содержание таких полимеров в БМП может достигать 3-10 %. Термопласты обладают подобными свойствами, но им присуща низкая эластичность, а также меньшее усиливающее действие и деформативность при низких температурах (их расход в БМП 5-12 %). Латексы являются водными дисперсиями каучуков (содержат около 30 % воды), технологично они более приемлемы для изготовления битумополимерных эмульсий (их содержание в эмульсиях около 3 %). Терполимеры отличаются способностью вступать в реакцию с компонентами битумов (асфальтосмолистыми веществами), за счет чего приемлемые технические свойства БМП достигаются при меньших расходах (около 1,5-2,2 %).

Принципиальный механизм регулирования свойств битума разными полимерами одинаковый. Он состоит в создании более-менее развитой сетки полимера в битуме, в который он добавляется. Результаты модификации в каждом отдельном случае зависят от совместимости полимера и битума, их количественного соотношения, температурных режимов приготовления.

Накопленный опыт свидетельствует о преимуществах асфальтобетонов на модифицированных полимерами битумах по сравнению с обычными асфальтобетонами в отношении: прочности и, в частности, сдвигоустойчивости; температуры хрупкости (при соответствующем содержании полимера); устойчивости в водной среде и, в конечном итоге, долговечности асфальтополимербетонных покрытий. В то же время обеспечение этих преимуществ требует усложнения технологической подготовки вяжущих, приводит к удорожанию вяжущего из-за высокой стоимости полимеров. При этом неизбежен значительный дополнительный расход энергоресурсов, необходимых для проведения всех технологических процессов при температурах на 15-25 °С выше, чем в случае традиционных битумов и асфальтобетонов. Компенсация этих затрат может быть обеспечена за счет удлинения межремонтных сроков асфальтополимербетонного покрытия и уменьшения объемов его ремонта. К сожалению, подтверждение справедливости последнего утверждения на основе производственных данных в настоящее время достаточно проблематично.

Применению битумов, модифицированных полимерами, должно предшествовать в каждом конкретном случае технико-экономическое обоснование, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость битума.

Для улучшения свойств вязких битумов используют ряд способов.

1. Общепринятой практикой в ряде стран стал способ, когда в состав вязких битумов вводят добавки из полимерных материалов или побочных продуктов их производства в количестве 1-3 %. Такие добавки увеличивают прочность пленки битума. Необходимым условием применения таких добавок является их растворимость в битуме, обеспечивающая однородность структуры модифицированного битума. В качестве добавок используют побочные продукты производства полиэтилена, полипропилена, полистирола и поливинилхлорида.

2. Для повышения деформативности битума при отрицательных температурах (во избежание на покрытиях трещин) с одновременным обеспечением его сдвиговой прочности при высоких летних температурах покрытий (избежание деформаций в виде волн и колей) в состав битума вводят побочные продукты производства синтетических смол и каучуков в количестве 2…5 % от массы битума. Здесь также предъявляется требование, чтобы эти добавки имели хорошую совместимость с битумом – набухали и растворялись в нем до получения однородной массы.

Помимо требований к температурно-вязкостным сдвиговым свойствам, к битумам предъявляется также одно из основных требований – обеспечить их высокую адгезию к минеральным материалам. Для этого в его состав вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ). Суть действия ПАВ объясняется строением их молекул. Молекула ПАВ состоит из двух частей – углеводородного радикала (С_nH_m), который не имеет электрического заряда (он неполярен) и полярной функциональной группы (которая может иметь положительный или отрицательный заряд). По знаку (полярности) функциональных групп ПАВ делят на анионактивные (со знаком «-») и катионактивные (со знаком «+»). Поэтому для улучшения прилипания битума к поверхности основных горных пород (на которой преобладает положительный заряд) в состав битума необходимо вводить анионактивные ПАВ, а если необходимо усилить адгезию битума к поверхности кислых пород (наиболее распространенных), то в состав битума добавляют катионактивные ПАВ.

При смачивании битумом поверхности каменных материалов молекулы ПАВ ориентируются полярной функциональной группой к поверхности минерального материала, а радикалы – к пленке битума. При этом происходит взаимодействие электрических зарядов противоположного знака, что способствует сцеплению битума с каменным материалом. Механизмы такого повышения адгезионного взаимодействия представлены на рис. 7.9.

Желательно выбирать такие ПАВ, которые в дальнейшем химически (хемосорбционная адгезия) взаимодействуют с поверхностью каменного материала, что обеспечивает длительную водостойкость пленки битума.

Наиболее характерными представителями анионактивных веществ являются мыла карбоновых кислот, а катионактивных – соли ароматических и алифатических аминов.

Поскольку некоторые ПАВ могут значительно ухудшить свои свойства при воздействии повышенных температур при нагреве битума, то нагревать битум с ПАВ следует строго в соответствии с нормативными документами.

Избыток ПАВ в битуме, а также их недостаточное количество ухудшают адгезионные свойства битума. Поэтому добавки ПАВ вводят в битум также строго нормированно.

Для качественного улучшения структуры и свойств дорожных битумов самым эффективным способом, позволяющим получать качественно новое органическое вяжущее, является модификация битумов полимерами.

К модифицированным битумным вяжущим относятся нефтяные вязкие битумы, содержащие до 10 % (по массе) полимерных добавок (модификаторов).

В настоящее время разработан СТБ 1220-2000 «Битумы модифицированные дорожные. Технические условия».

 

Модифицированные битумы

 

Согласно СТБ 1220-2000 «Битумы модифицированные дорожные. Технические условия» модифицированные битумы в зависимости от назначения и глубины проникания иглы подразделяются на марки:

- БМА 50/70, БМА 70/100, БМА 100/130 – для приготовления горячих асфальтобетонных смесей;

- БМП 100/150, БМП 150/200 – для устройства поверхностных обработок;

- БММ 130/150 – для устройства битумополимерных прослоек (мембран) по цементобетонным покрытиям; дорожным основаниям, укрепленным минеральным вяжущим; старым асфальтобетонным покрытиям с сеткой температурных трещин; гравийно-эмульсионным основаниям и покрытиям перед устройством последующего конструктивного слоя или фрикционного слоя износа.

Условное обозначение модифицированного битума при записи в других документах и заказе должно состоять из наименования, марки модифицированного битума и обозначения настоящего СТБ.

Пример обозначения модифицированного битума:

Битум модифицированный дорожный БМА 50/70 СТБ 1220-2000.

По физико-химическим показателям модифицированные битумы должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 7.4.

 

 

Таблица 7.4. – Физико-химические показатели свойств модифицированных битумов

 

Наименование показателя	Норма для модифицированных битума марок	Метод испытания
БМА 50/70	БМА 70/100	БМА 100/130	БМП 100/150	БМП 150/200	БММ 130/150
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25 °С	50-70	71-100	101-130	101-150	151-200	130-150	ГОСТ 11501
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже							ГОСТ 11506
3. Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше	-20	-20	-21	-23	-23	-23	ГОСТ 11507
4. Растяжимость, см, не менее, при 0 °С							ГОСТ 11505
5. Эластичность, %, не менее, при 13 °С							По 7.3
6. Сцепление с минеральным материалом	В соответствии с контрольным образцом № 2 (покрытие не менее ¾ поверхности минерального материала)	ГОСТ 11508 (метод А)
7. Удерживающая способность при ударе, °С: при максимальной отрицательной температуре, не выше	-20	-20	-20	-20	-20	-20	По 7.4
при максимальной положительной температуре, не ниже	-	-	-	+70	+70	-
8. Показатели физико-химических свойств после прогрева (163 °С/300 мин)							ГОСТ 11506 с дополнением
8.1 Изменение температуры размягчения по кольцу и шару, °С, не более							По 7.5
8.2 Глубина проникания иглы, % от первоначальной, не менее, при 25 °С							ГОСТ 11501 с дополнением по 7.5
8.3 Эластичность, %, не менее, при 13 °С							по 7.5

 

Для производства модифицированных битумов следует применять битумы нефтяные дорожные вязкие марок БНД (БН) 60/90, БНД (БН) 90/130 и БНД (БН) 130/200 по ГОСТ 22245 и битумы марок БД 60/90, БД 90/130 и БД 130/200 по СТБ 1062.

В качестве модификаторов битума применяют эластомеры: термоэластопласты марок ДСТ-30-01, ДСТ-30Р-20ПС, ДСТ-30Р, а также их зарубежные аналоги; синтетический каучук этиленпропиленовый, синтетический каучук СКС по ГОСТ 11138 или ГОСТ 23492, а также комбинации каучуков, выпускаемых по соответствующим нормативным документам.

В качестве пластификаторов применяют: экстракты селективной очистки масел, экстракты фенольной очистки масел, индустриальные масла марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А по ГОСТ 20799, масло ПН-6, сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов.

В качестве ПАВ применяют амины алифатические (С₁₇–С₂₀)технические или катионоактивные ПАВ на основе жирных алифатических аминов зарубежного производства.

Для производства модифицированных битумов допускается использовать другие эластомеры, пластификаторы и ПАВ, применение которых согласовано с органами Госнадзора.

В Беларуси построено государственное предприятие «Вёска», которое работает с 1997 года (рис. 7.10).

Производимая продукция используется при строительстве и ремонте дорог в Республике Беларусь. Отдельные виды продукции используются в странах СНГ.

Структура предприятия включает установку по производству битума, цех битумных эмульсий и битумно-полимерных вяжущих.