5.6 Особенности структуры и свойств модифицированных битумов

Левкович Т.И., Левкович Ф.Н., Летяго А.А. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

Нефтяные битумы широко применяются в дорожном и гражданском строительстве благодаря высокой пластичности, способности выдерживать без разрушений воздействие низких температур, температурных перепадов и различных деформационных нагрузок.

В данной статье представлены результаты изучения технологических процессов приготовления модифицированных битумов разного состава и полученные их основные характеристики. Нами на кафедре «Автомобильные дороги» в 2009-2012 годах были приготовлены составы и проведены испытания модифицированных дивинил стирольным термоэластопластом (ДСТ) битумов.

Oil bitumens are widely applied in road and civil construction thanks to high plasticity, ability to maintain without destructions influence of low temperatures, temperature differences and various deformation loadings.

In this article results of studying of technological processes of preparation of the modified bitumens of different structure and received their main characteristics are presented. We on Avtomobilnye dorogi chair in 2009-2012 prepared structures and tests modified a divinyl styrene termoelastoplasty (DST) of bitumens are carried out.

Дорожное строительство является основным потребителем нефтяных битумов. Оно потребляет до 90% производимого во всем мире объема товарных битумов. Специалисты разных государств едины во мнении, что нефтяной битум является самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения его в качестве вяжущего при строительстве дорожных покрытий. Нефтяные битумы находят широкое применение благодаря высокой пластичности, способности выдерживать без разрушений воздействие низких температур, температурных перепадов и различных деформационных нагрузок [1].

Анализируя литературные источники по многолетнему опыту устройства и содержания дорожных покрытий с использованием вязких дорожных битумов марки БНД, а также улучшенных битумов БДУ, изготавливаемых российскими нефтеперерабатывающими заводами (НПЗ), можно сделать вывод о том, что, например, при незначительной температуре хрупкости битума, разрушение покрытия начинается уже в первый год эксплуатации. Причина - недостаточная способность битумного вяжущего к растяжению (при нормативном соответствии значения показателя растяжимости битумов при «плюс» 25°C и «плюс» 0°C) [4-6].

При работе в составе дорожного асфальтобетона наиболее устойчивым к воздействию сдвиговых усилий в теплое время года оказывается битум марки БНД 60/90, характеризующийся более высокой динамической вязкостью при 60°C. Однако, трещиностойкость асфальтобетонных покрытий при прочих равных условиях зависит от способности битума выдерживать без разрушения растягивающие усилия.

В условиях постоянного роста интенсивности движения и нагрузок на ось проблема повышения эксплуатационной надежности дорожных битумов в покрытиях дорог в нашей стране приобретает все большую остроту. Следует принимать меры для увеличения срока службы дорожных покрытий, так как потенциальных возможностей нефтяного битума даже оптимизированного качества оказывается недостаточно.

В настоящее время в нашей стране и в зарубежной практике для устройства и ремонта дорожных покрытий при необходимости используют композиционные материалы на основе битума и модификаторов. К ним относятся: сера, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутилкаучук, хлоропрен и др.); органо-марганцевые компаунды; термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат (EVA); термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры, а также блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС) и другие модификаторы [2,3].

Модифицированный битум – органическое вяжущее, полученное путем смешивания битума с модификатором и маслом. Его приготавливают с целью получения органического вяжущего с наиболее лучшими характеристиками (прочность, морозостойкость, пластичность и др.) по сравнению с обычным битумом.

Целесообразность применения в составе дорожного асфальтобетона битума, модифицированного тем или иным видом модификатора, в каждом конкретном случае обосновывается.

Назначение масла – понизить эластичность битума, что повышает его сопротивление воздействию отрицательных температур. Сыпучий модификатор повышает прочностные характеристики битума и его сдвигоустойчивость.

В технологическую схему приготовления модифицированного битума входят такие элементы, как емкости для хранения материалов (масла, битума); емкость для хранения готового модифицированного битума; дозатор масла; насосы; ленточный конвейер; диспергатор; дозатор.

Масло из емкости подается в дозатор при помощи насоса. Из дозатора масло поступает в диспергатор. В него же по ленточному конвейеру подается сыпучий модификатор и из соответствующей емкости - битум. Для качественного перемешивания затрачивается 6-8 часов времени. Поэтому для ускорения процесса перемешивания в технологическую схему на многих асфальтобетонных заводах (АБЗ) включен дезинтегратор. С помощью насоса из диспергатора в дезинтегратор подается смесь битума с маслом и сыпучим модификатором. Потом эта смесь, прошедшая обработку в дезинтеграторе, снова подается в диспергатор, где опять подвергается перемешиванию. И так этот цикл повторяется в течение часа, после чего получают модифицированный битум. Его можно затем подавать по битумопроводам на разлив в битумовозы, а при их отсутствии - в емкость для хранения модифицированного битума [3,4].

Как показывает практика, использование пластификаторов (масел) на стадии приготовления битумов, модифицированных полимерами, не только не повышает устойчивость последних к расслаиванию, но и способствует разрушению вяжущего в составе дорожного покрытия, вследствие выпотевания (отторжения) масел, в первую очередь, введенных дополнительно. Для получения полимерно-битумных материалов, характеризующихся более высокой пластичностью, достаточно использовать в качестве исходного сырья битумы с более высокими значениями показателя глубины проникания иглы при «плюс» 25°C, что имеет место в зарубежной практике.

Модифицирующий эффект от введения полимера в битум зависит от правильности проведения процесса приготовления полимерно-битумной композиции.

Битумы при нагревании размягчаются, а термопластичные полимеры, независимо от того, были они кристаллическими или аморфными, переходят в вязко-текучее состояние. Таким образом, смесь полимера и битума при повышенной температуре представляет собой смесь двух жидкостей, различающихся по вязкости, а, следовательно, процесс их смешения в основном должен сводиться к диспергированию жидкости в жидкости.

Анализ известных способов приготовления битумов, модифицированных полимерами, показывает, что все они предусматривают, как правило, повышенную температуру процесса («плюс»150-200°C) и интенсивное перемешивание компонентов. Температура разложения большинства используемых для модификации битумов полимеров (полиэтилена, полипропилена, этилен-пропиленовых каучуков, термоэластопластов и др.) значительно превышает температуру совмещения их с битумом [3,4].

Рост объемов потребления дорожной отраслью полимеров типа стирол-бутадиен-стирол (СБС) обусловлен их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – свойство, присущее полимерам, причем при небольшой их концентрации (3…5% от массы битума).

Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифицированного полимером типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта.

В настоящее время за рубежом композиции битума с разным содержанием полимера типа СБС нашли широкое применение для устройства дорожных одежд на искусственных сооружениях (мостах, дорожных развязках и др.) и, как показывает опыт, обеспечивают длительные сроки работы покрытий, несмотря на особо сложные условия их эксплуатации.

Низкая вязкость полимера способствует лучшему диспергированию его в битуме. При повышении содержания полимера размер капель в массе битума возрастает, так как растет вероятность их коалесценсии (слияния), приводящей к обращению фаз в системе. Так, этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-Э-30 образует непрерывную фазу в битуме при введении в количестве не менее 9% по массе от массы битума [2-6].

Для взаимно растворимых компонентов степень дисперсности системы дополнительно возрастает за счет взаимодействия компонентов на границе раздела фаз. К таким полимерам относятся блоксополимеры типа СБС: KRATON D, ДСТ-30. Наличие в структуре стирол-бутадиен-стирольного полимера ароматических блоков обусловливает его сродство с нефтяным битумом, содержащим значительное количество ароматических соединений.

Нами на кафедре «Автомобильные дороги» в 2009-2012 годах были приготовлены составы и проведены испытания модифицированных дивинил стирольным термоэластопластом (ДСТ) битумов.

При комнатной температуре и в реальных условиях эксплуатации битумы, модифицированные полимерами, представляют собой, как правило, микро- или макро- неоднородные системы, то есть являются композиционными материалами. Свойства их определяются фазовой структурой смеси, в частности механические – преимущественно, свойствами непрерывной фазы.

Модифицированные битумы имели следующий состав:

1 – приготовлен на битуме БНД 60/90; 2 - приготовлен на битуме БНД 130/200; 3 - приготовлен на битуме БНД 90/130; 4 – состав прототипа: битума – 75%; индустриального масла И-40А – 20%; ДСТ – 5% от массы битума.

С повышением степени окисленности битума совместимость его с полимерами любого химического строения и молекулярной массы ухудшается, что обусловлено увеличением содержания в битуме асфальтенов и высокомолекулярных смол, снижением количества масел и низкомолекулярных смол, которые принимают непосредственное участие в процессе растворения полимеров. Использование в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумных композиций битумов, обогащенных ароматическими соединениями, благоприятствует совместимости компонентов, что согласуется с известными положениями теории физической химии полимеров и обусловлено лучшей растворимостью полимеров в ароматических соединениях.

Рисунок 1 - Время и температура приготовления битумов

Рисунок 2 - Составы модифицированных битумов

Для придания битуму, модифицированному полимером, способности выдерживать без разрушения растягивающие усилия в реальных условиях эксплуатации дорожных покрытий в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумной композиции следует применять битумы, характеризующиеся высоким уровнем значений показателя растяжимости при «плюс» 25°C (более 100 см) как до, так и после смешения с минеральным материалом. Свойства модифицированных битумов, изготовленных на БДУ 70/100: глубина проникания иглы, мм 10-1, при «плюс» 25°C; глубина проникания иглы, мм 10-1, при 0 C; растяжимость при «плюс» 25°C, см 94; растяжимость при 0°C, см 48; эластичность при «плюс» 25°C, %, через 3 мин [3-6].

Заключение

1. Для получения модифицированных битумов с заданным комплексом свойств в каждом конкретном случае необходимо осуществлять правильный выбор полимерного модификатора, битумного сырья, выполнять комплекс лабораторных работ по оптимизации рецептуры композиционного материала.

2. Для обеспечения стабильности структуры и свойств битума, модифицированного полимером, следует использовать полимер и битум постоянного качества, строго соблюдать технологический регламент процессов приготовления и хранения модифицированного битума.

3. Анализ зарубежного и отечественного опыта применения битумов, модифицированных полимерами, показывает принципиальные отличия в подходах к выбору исходных компонентов, к проектированию составов полимерно-битумных вяжущих.

Литература

1 Дорожное хозяйство России (цифры и факты) справочно – иллюстрационный материал. Министерство транспорта Российской Федерации. – М.: Федеральное дорожное агентство, 2006. – 352 с.

2 Битумно-полимерные вяжущие для дорожного строительства / А.Ф. Кемалов, Т.Ф. Ганиева, Р.З. Фахрутдинов, Р.А. Лутфуллин // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2001. - №4. – С.27-28.

3 Броницкий, Е.И. Производство полимерно-битумных вяжущих с использованием растворов блоксополимеров бутадиена и стирола типа СБС // Применение полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС. - М.: МАДИ (ТУ), 2001.

4. Лаврухин, В.П., Калгин, Ю.И. Свойства асфальтобетонов на модифицированных битумах // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2002. - №1. – С.14-17.

5 Полимерно-битумные вяжущие во Франции и Германии // Автомоб. дороги: Аннотирован. библиограф. сб. по вопросам строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и мостов (заруб. опыт) / Информавтодор. – 2002. – вып.2. – С.31.

6 Левкович, Т.И., Башлаков, С.Н. Применение полимерно-битумных вяжущих при строительстве автомобильных дорог. // Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 2-й междунар. Науч.-практ. конф. (30 ноября 2010г., г.Брянск) в 3-х томах. Т2. – Брянск: БГИТА, 2010.– С.311-314.