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
Показатель |
Норма для модифицированных |
|
БМА 50/70 |
БМА 70/100 |
|
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25 °С |
50...70 |
71...100 |
Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже |
55 |
52 |
Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше |
-20 |
-20 |
Растяжимость, см, не менее, при 0 °С |
9 |
9 |
Эластичность, %, не менее, при 13 °С |
55 |
50 |
Сцепление с минеральным материалом |
В соответствии с (покрытие не менее 3/4 |
|
Удерживающая способность при ударе, °С: при максимальной отрицательной температуре, не выше при максимальной положительной температуре, не ниже |
-20 |
-20 |
Показатели физико-химических свойств после прогрева (163 °С/300 мин): |
||
изменение температуры размягчения по кольцу и шару, °С, не более |
5 |
5 |
глубина проникания иглы, % от первоначальной, не менее, при 25 °С |
60 |
60 |
эластичность, %, не менее, при 13 °С |
50 |
50 |
свойств модифицированных битумов
Таблица 7.4
битумов марок |
Метод испытания |
|||
БМА 100/130 |
БМП 100/150 |
БМП 150/200 |
БММ 130/150 |
|
101...130 |
101...150 |
151...200 |
130...150 |
ГОСТ 11501 — 78 |
50 |
55 |
51 |
60 |
ГОСТ 11506-73 |
-21 |
-23 |
-23 |
-23 |
ГОСТ 11507-78 |
11 |
11 |
13 |
15 |
ГОСТ 11505-75 |
50 |
50 |
50 |
85 |
По 7.3 СТБ 1220-2000 |
контрольным образцом № 2 поверхности минерального материала) |
ГОСТ 11508-74 (метод А) |
|||
По 7.4 СТБ 1220-2000 |
||||
-20 |
-20 |
-20 |
-20 |
|
— |
+70 |
+70 |
— |
|
ГОСТ 11506-73 с дополнением по 7.5 |
||||
6 |
7 |
7 |
7 |
По 7.5 ГОСТ 11506-73 |
60 |
60 |
60 |
60 |
ГОСТ 11501-78 с дополнением по 7.5 |
50 |
50 |
50 |
60 |
По 7.5 ГОСТ 11506-73 |