7. Регулирование структуры и свойств асфальтобетона, обеспечивающих эксплуатационные характеристики покрытия путем модификации битума

В последнее время особое внимание уделяется вопросам повышения качества асфальтобетона, обеспечения его долговечности и эксплуатационных характеристик покрытий путем улучшения структуры и свойств битума. Применение полимерных добавок позволяет улучшить весь комплекс физико-механических свойств битумоминеральных смесей – повысить прочность, водо-, морозо- и коррозионную устойчивости и т.д.

Модификация битумов полимерами по праву считается наиболее эффективной из новых технологий, предложенных в области строительства асфальтобетонных покрытий за последние 50 лет. Полимерно-битумное вяжущее зарекомендовало себя качественно новым материалом, позволяющим повысить срок службы дорожного покрытия.

В качестве первых полимерных модификаторов использовались каучуки (или эластомеры). Свыше 100 лет их применяют в битумных композициях для придания последним эластичности и, следовательно, для повышения эксплуатационной надежности покрытий. Вплоть до настоящего времени для приготовления полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) важное практическое значение имеют различные виды эластомеров. В литературе чаще всего встречаются наиболее изученные из них: натуральный каучук (НК), сополимеры бутадиена и стирола (SBS) и полихлоропрен (неопрен). Меньше опубликовано данных об использовании сополимеров бутадиена с нитрилом (нитрильный каучук), изобутилена с изопреном (бутилкаучук) и регенерата.

Для модификации дорожных битумов применяют SBS (в виде крошки или порошка) следующих марок: Карифлекс ТР 1101 или Карифлекс ТР 1184, Кратон 1101 фирмы «Шелл»; Финапрен 502 или Финапрен фирмы «Петрофина»; Солпрен 41 фирмы «Филлипс», Европрен Сол-Т-161 фирмы «Энихем» и целый ряд других.

Применение полимеров типа SBS в составе вяжущего позволяет расширить интервал работоспособности битумов, повысить прочностные показатели асфальтобетонных смесей. Однако получаемые полимерно-битумные вяжущие имеют низкий показатель сцепления с минеральными материалами. Значительным существенным недостатком подобных вяжущих является неспособность образовывать тонкую пленку на минеральных зернах, что влечет за собой неоправданный перерасход вяжущего и, как следствие, приводит к колееобразованию.

В России для модификации дорожных битумов используют аналоги блоксополимеров бутадиена и стирола (SBS): дивинилстирольные термоэластопласты ДСТ-30-01 и ДСТ-30Р-01, выпускаемые Воронежским заводом синтетического каучука.

В качестве модификатора асфальтобетона широко используется в нашей стране и за рубежом вторичный полиэтилен высокого и низкого давления. Запасы вторичного полимерного сырья, как правило, не востребованы. Это касается в основном отходов производственного потребления, которые практически остаются бесхозным сырьем. Отходы одной лишь пленки сельскохозяйственного назначения в последние годы составляют несколько десятков тонн.

А.В. Руденским экспериментальными исследованиями в работе показано улучшение таких свойств асфальтобетона, как прочность, теплостойкость, деформационная устойчивость полученных на основе полимербитумных композиций с применением в качестве модификатора полиэтилена и его производных.

При использовании полиэтилена ПЭ-19000 со средней молекулярной массой, имеющего твердую консистенцию, получают увеличение вязкости

При введении полиэтиленовых добавок в асфальтобетонные смеси, полиэтилен под действием высоких температур (140-180°С) и интенсивных механических воздействий практически не вступает в химическое взаимодействие с битумом. Изменение свойств асфальтобетона в этом случае связано с эффектом структурирования битумного вяжущего полиэтиленовыми частицами.

В целом можно отметить, что полиэтилен воздействует на битум как отвердитель, способствующий снижению термической чувствительности вяжущего. Вяжущее с полиэтиленом используют для приготовления асфальтобетонных смесей, из которых могут быть уложены основания, нижние и верхние слои покрытий дорожных одежд. Слой, уложенный из смеси вяжущего с полиэтиленом, обладает хорошей устойчивостью к колееобразованию даже при большой его толщине.

В течение многих лет в дорожном строительстве нашей страны, в странах Западной Европы (Италии, Франции, Бельгии, Люксембурге и др.) используют битумное вяжущее, модифицированное сополимерами этиленвинилацетата. Этиленвинилацетат – это термопластичное вещество. Механические свойства этого сополимера определяются содержанием в нем винилацетата, которое может колебаться от 0 до 50%. При низком содержании винилацетата полимер обладает свойствами близкими к свойствам полиэтилена низкой плотности. Модифицирование вяжущих этиленвинилацетатом способствует увеличению когезии в более широком диапазоне температур, повышает вязкость битума, способствует устойчивости к деформациям, большей упругости при низкой температуре, меньшей термической чувствительности, увеличению растяжимости и адгезионных свойств вяжущих.

Сополимер этиленвинилацетата в отличие от SBS имеет полярные молекулы, активно взаимодействующие с элементами битума (асфальтенами, парафинами, ароматическими соединениями) и минеральными материалами при приготовлении асфальтобетона. Взаимодействие осуществляется за счет раскрытия двойных связей углеводородной цепи полимера и использования потенциала полярных ацетатных групп, заключенного в свободных электронных парах кислорода.

В настоящее время в странах США, Канаде, Европе, Китае и Австралии интенсивно применяется МАК-технология. В этих странах с 1989 г. года было построено свыше 30 тыс. км дорог с применением битумов модифицированных по данной технологии.

Основной идеей разработки этой технологии является стремление увеличить при соответствующей модификации толщину пленки битума, формирующейся на поверхности частиц камня при приготовлении смесей, что должно обеспечивать увеличение срока службы покрытий. Проведенные исследования позволили авторам МАК-технологии установить необходимость перевода битумов в гелеобразное состояние перед приготовлением смеси, что позволяет значительно продлевать срок службы верхнего слоя покрытия и прогнозировать 50-летний срок службы слоев дорожного покрытия.

Как отмечалось выше, при температурах горячих смесей МАК-битум формирует гораздо более толстую пленку вяжущего на поверхности частиц камня. При этом сегрегация и явление пленки вяжущего на поверхности частиц (даже при температурах 160°С) практически отсутствует. Это исключает необходимость применения фибры-волокон или других наполнителей для стабилизации смесей типа ЩМА.

Определенный практический интерес для дорожного строительства представляют работы по применению отходов резины. Начаты они еще в 30-40-х годах и обобщены в публикациях А.И. Лысихиной, Г.К. Сюньи, Н.В. Горелышева, Ф.Н. Пантелеева, И.А. Дибровой и А.В. Руденского.

В ряде работ, посвященных использованию асфальтобетонных смесей улучшенных добавками резины, для получения наиболее плотной и прочной асфальтобетонной смеси, рекомендуется применять резиновую крошку с содержанием частиц размером мельче 0,63 мм не менее 80%. Для существенного повышения качества асфальтобетона с дробленой резиной рекомендуется выдерживание смесей в течение 1-2 часов в накопительных бункерах.

В работе «Технология химического модифицирования нефтяных битумов мелкодисперсной резиновой крошкой (технология БМРК)», авторы отмечают особое преимущество этой технологии. Отмечается, что химическое модифицирование битумов позволяет получать битумные композиционные вяжущие высокого качества, с широким диапазоном свойств, так как имеется возможность большого выбора свойств и состава резины, дисперсности крошки и технологических режимов модифицирования различных видов битума. В результате на одном и том же оборудовании можно получать материалы для совершенно различных условий применения, для разных климатических зон, с широким диапазоном технических характеристик. Заметно меняется зависимость вязкости материалов от температуры, повышается интервал пластичного состояния, увеличиваются адгезионные свойства вяжущего, устойчивость к процессам старения.

В целях дальнейшего совершенствования технологии производства и применения резинобитумных вяжущих повышенного качества ГП «РосдорНИИ» совместно с ЦРПТ «Ринтек» были разработаны рекомендации и технические условия на резинобитумные вяжущие, получаемые по технологии «Брит». Авторы отмечают, что разработанная технология эффективно улучшает физико-механические свойства битумных вяжущих материалов и мастик. Она выгодно отличается от известных способов модификации битумов резиновой крошкой, т.к. не требует использования специальных пластификаторов для предварительной обработки частиц резины. Резинобитумные вяжущие и мастики (БРИТ) отличаются широким интервалом пластичности (от 81°С для вяжущего, до 125°С – для мастик), высокой стабильностью свойств в условиях воздействия высоких температур, устойчивостью материала к старению, отсутствием расслоения, низким водонасыщением и высокой адгезией.

С использованием резиновой крошки разработан новый композиционный резинобитумный материал (БИТРЭК), получаемый по технологии химического модифицирования обычных окисленных битумов с помощью мелкодисперсной (< 0,5 мм) резиновой крошки – продукта дробления изношенных шин. Во многих работах показано преимущество применения вяжущего БИТРЭК в составе литых асфальтобетонных смесей. Авторы отмечают, что введение резиновой крошки в битум позволяет повысить температуру размягчения, понизить температуру хрупкости, улучшить адгезионные свойства и повысить пластичность вяжущего. Резиновая крошка композиционного вяжущего материала служит структурирующим компонентом, выполняя роль дисперсно-эластичного армирования. Асфальтобетон на вяжущем БИТРЭК с содержанием 10% резиновой крошки способен выдержать такие же напряжения, как и асфальтобетон на битуме, модифицированном СБС-полимером. Хорошие результаты получены авторами при использовании разработанного битуморезинового вяжущего БИТРЭК в составе различных асфальтобетонов: литых, щебеночно-мастичных, многощебенистых и т.п.

Однако, в вопросах приготовления вяжущего БИТРЭК настораживают несколько повышенные температуры приготовления модифицированного вяжущего (>220°С) и возможная подверженность такого вяжущего процессам старения. Из опубликованных работ по резинобитумному вяжущему БИТРЭК трудно судить о трещино- и сдвигоустойчивости асфальтобетонов, сцеплении при сдвиге, влиянии модифицированного вяжущего на коэффициент внутреннего трения и т.п.

Исследования, проведенные многими авторами отмечают, что применение резиноасфальтобетонных смесей может улучшить показатели усталости, колееобразования, сцепления, увеличить сопротивление образованию отраженных и температурных трещин и повысить водостойкость асфальтобетонных покрытий из них. Установлено также, что на покрытиях с использованием резинобитумных вяжущих наблюдается снижение шума от движущихся по дороге автомобилей и уменьшение стоимости работ по их содержанию, ремонту и реконструкции.

В целом можно отметить, что резиновая крошка является дешевым сырьем для модификации битумов, она в несколько раз дешевле известных модификаторов на основе синтетических каучуков.

При введении резиносодержащих гранул РТЭП в битумоминеральные смеси в процессе нагревания происходит значительное включение резиновых частиц в вяжущее с образованием объемной сетчатой структуры вяжущего с каучуковыми фрагментами резины, полиолефинов и активных групп высокомолекулярных соединений битума (асфальтенов). Легкие фракции вяжущего адсорбируются мелкими девулканизированными клейкими частицами набухшей в битуме крошки, более крупные частицы крошки выполняют при этом роль армирующих дисперсных частиц. В сочетании с дополнительно присутствующей в гранулах полимерной добавки типа полиолефинов в битумном вяжущем образуется прочная дисперсно-армированная полимерная структура. За счет сшивки частиц резины, полимера и битума заметно изменяются зависимости вязкости материала от температуры, повышается температура размягчения и понижается температура хрупкости, расширяется интервал пластичного состояния. Асфальтобетонные смеси приобретают большую сдвиго-, трещино- и коррозионную устойчивость.

Вяжущее с использованием РТЭП приобретает более повышенные адгезионные свойства за счет наличия в гранулах активных химических групп, увеличивающих полярность асфальтенов, стабилизируя его гетерогенную структуру.

Шинная резиновая крошка, как уже отмечалось, содержит антиоксиданты и антистарители. Вследствие этого комплексное битумное вяжущее более устойчиво к окислительному воздействию кислорода воздуха, способствует получению минеральных смесей, устойчивых к старению.

Новая технология получения полимерно-армированных композиций с использованием РТЭП позволяет получать повышенную трещиностойкость асфальтобетонных покрытий и их долговечность. Высокие адгезионные свойства битумов модифицированных добавкой РТЭП обеспечивают повышенную водостойкость асфальтобетонов и сокращение образования в процессе эксплуатации такого вида повреждений покрытия, как выкрашивание.

Битумы с добавками РТЭП выдерживают испытания в соответствии с ГОСТ 11508 по контрольному образцу № 2, они почти вдвое повышают устойчивость слоя покрытия в отношении сдвига при повышенных температурах, значительно увеличивая стойкость асфальтобетонных покрытий к колееобразованию, что особенно важно для регионов с жарким климатом.