Улучшение свойств вязких битумов

В разных странах 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 эффективно использовать в тех технологических и эксплуатационных условиях, где они непригодны или малоэффективны;
• ? экономия дефицитных по разным причинам в данном регионе или на данном объекте органических вяжущих без ухудшения качества готового материала и конструкции, где они применяются;
• ? расширение ресурсов органических вяжущих материалов, в частности, для увеличения объемов строительства дорог с твердым покрытием, решения социальных вопросов и снижения транспортных расходов;
• ? повышение качества традиционных органических вяжущих материалов для 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 для 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 перечисленное продиктовано нуждами практики, поэтому модифицированные битумы находят широкое применение в дорожном строительстве многих стран. Однако 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 1960-х гг. 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 XX в. на Западе были сформулированы основные положения получения битумов, модифицированных полимерами:

• ? эффективными модификаторами битумов являются тер- моэластопластические полимеры;
• ? замена в разнообразных асфальтобетонах обычного битума битумом с добавкой полимера повышает их долговечность;
• ? для достижения высокого уровня качества БМП перспективным является непосредственное введение полимеров в битум;
• ? выбор компонентов БМП должен учитывать соотношение параметров его качества и стоимости.

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

По объемам применения полимеры размещаются в следующем порядке: термоэластопласты типа стирол-бутадиен-сти- рол (СБС); термопласты типа этиленвинилацетат, полиизобутилен, полипропилен, разнообразные блоксополимеры; полимерные латексы; терполимеры типа этиленглицидилакрилат.

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 меньшая деформативность при низких температурах. Их расход в БМП 5... 12 %. Латексы являются водными дисперсиями каучуков (содержат около 30 % воды), технологически 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 заключается в создании более-менее развитой сетки полимера в битуме, в который 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. Эти затраты могут быть компенсированы за счет удлинения межремонтных сроков асфальто- полимербетонного покрытия и уменьшения объемов его ремонта. К сожалению, подтвердить справедливость последнего утверждения на основе производственных данных в настоящее время достаточно проблематично.

Применению битумов, модифицированных полимерами, в каждом конкретном случае должно предшествовать техникоэкономическое обоснование, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость обычного битума.

Для улучшения свойств вязких битумов используют ряд способов.

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 %, увеличивающие 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.

Для повышения деформативности битума при отрицательных температурах (для предотвращения появления 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 хорошей совместимости с битумом — добавки должны набухать и растворяться в нем до получения однородной массы.

Помимо требований к температурно-вязкостным сдвиговым свойствам, к битумам предъявляется также одно из основных требований — обеспечить высокую адгезию к минеральным материалам. Для этого в их состав вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ). 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 вводят анионактивные ПАВ, а для усиления адгезии битума к поверхности кислых пород (наиболее распространенных) — 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.

Рис. 7.9. Схема прилипания поверхности битума с ПАВ к поверхности каменного материала: а — прилипание пленки битума с ПАВ катионного типа к поверхности кислого каменного материала; б — прилипание пленки битума с ПАВ анионного типа к поверхности основного каменного материала; 1 — битум; 2 — молекулы ПАВ катионного типа; 3 — каменный материал из кислых горных пород (кварцевый песок, гранит); 4 — молекулы ПАВ анионного типа; 5 — каменный материал из основных (карбонатных) горных пород (известняк, доломит)

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

Наиболее характерными представителями анионактивных веществ являются мыла карбоновых кислот, катионактив- ных — соли ароматических и алифатических аминов.

Поскольку некоторые ПАВ могут значительно ухудшить свои свойства под воздействием повышенных температур при нагреве битума, нагревать битум с ПАВ следует строго в соответствии с нормативными документами. Избыток ПАВ в битуме или его недостаточное количество ухудшает 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).

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 (например, БМА 50/70 СТБ 1220-2000.

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

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 22245-90 и битумы марок БД 60/90, БД 90/130 и БД 130/200 по СТБ 1062-97.

В качестве модификаторов битума применяют эластомеры: термоэластопласты марок ДСТ-30-01, ДСТ-30Р-20ПС, ДСТ- ЗОР и их зарубежные аналоги; синтетический каучук эти- ленпропиленовый, синтетический каучук СКС, 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-ЗОА, И-40А, И- 50А, 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 г. Основные виды выпускаемой продукции: битум нефтяной для верхнего слоя дорожного покрытия (60 000 т/год); эмульсия битумная катионная (50 000 т/год); битумы модифицированные (32 000 т/год); мастика битумная.

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.

Физико-химические показатели

свойств модифицированных битумов

Таблица 7.4