14.6. Совершенствование состава и структуры органических вяжущих

14.6.1. Улучшение качества нефтяных битумов

Наиболее распространенным способом улучшения качества битумов является их физико-химическая структурная модификация введением добавок и получения битумо-дегтевых, битумо-полимерных и дегте-битумо-полимерных вяжущих.

Битумодегтевые вяжущие широко применяются для поверхностных обработок, производства черного щебня, устройства верхних и нижних слоев усовершенствованных дорожных покрытий, рулонных кровельных и других строительных материалов. Битумодегтевые вяжущие состоят из смеси каменноугольного дегтя и битума, причем содержание последнего составляет 30-70%. Для получения технически совместимых систем с равномерным составом и устойчивой структурой битумодегтевые вяжущие приготавливают в коллоидных мельницах и механических гомогенизаторах.

Температура смешивания дегтя и битума 100-110°С. В зависимости от назначения битумодег-тевые композиции характеризуются или условной вязкостью от 45°С до 55°С по ( =40-250, =15-75 и =40-500 с) либо пенетрацией (П₂₅=40-200 градусов шкалы пенетрометрометра).

При применении битумодегтевых вяжущих значительно сокращается расход битума, повышается адгезия органических вяжущих нефтяного происхождения к поверхности каменных материалов различного петрографического состава, что дает возможность отказаться от применения специальных поверхностно-активных веществ. Использование таких композиций понижает температуру приготовления смесей по сравнению с асфальтобетонными, существенно увеличивается время эффективного уплотнения смесей и повышается деформативная способность покрытия по сравнению с дегтебетонными.

Битумополимерные вяжущие. Наиболее перспективный способ изменения состава и структуры битумов с целью получения материала с необходимым комплексом физико-механических свойств в широком диапазоне эксплуатационных температур - введение в их состав небольшого количества полимеров.

В настоящее время для улучшения органических вяжущих в качестве добавок используются:

- каучукоподобные полимеры - эластомеры (натуральные и эстетические каучуки, девулканизированная резиновая крошка);

- термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полиметилматакрилат, поливинилхлорид, полистирол);

- термореактивные полимеры (фенолформальдегидные, эпоксидные и др.);

- термоэластопластичные полимеры (дивинилстирольный, дивинилметастирольный).

Использование для модификации органических вяжущих полимеров преследует цель приблизить механические свойства вяжущих к свойствам высокополимеров, отличающихся такими ценными качествами, как прочность, теплостойкость, пластичность, способность к упругим и эластическим деформациям при низких температурах. Введение в органических вяжущих 1,5-5% по массе совмещающихся с ними полимеров способствует повышению трещиностойкости (при отрицательных температурах), сдвигоустойчивости и снижению усталостных явлений (при температурах, близких к 0°С).

Примером может служить полимербитумное вяжущее (ПБВ), полученное введением в битум 2% дивинилстирольного термоэластопласта ДСТ-30. ПБВ обладает повышенной, по сравнению с битумом, прочностью и теплоустойчивостью при положительных температурах. Об этом свидетельствует увеличение условного предела текучести в 21 раз и наибольшей пластической прочности в 4 раза (при 25°С). Кроме того, возрастает деформативность ПБВ при отрицательной температуре, о чем свидетельствует снижение его модуля упругости при изгибе в 2 раза (температура испытания - 30°С). Асфальтобетонные смеси на полимербитумных вяжущих отличаются лучшей укладываемостью и более широким температурным интервалом уплотнения. Бетоны на ПБВ имеют в сравнении с асфальтобетоном большую теплоустойчивость, коррозийную и динамическую стойкость.

Битумы, содержащие ПАВ. Для повышения адгезии битума к поверхности каменных материалов их модифицируют поверхностно-активными веществами. Молекулы ПАВ состоят из двух частей - полярной и не полярной. К полярным группам относятся - ОН, -СООН, Н₂, -Н и др. Эти функциональные группы и обуславливают хорошее прилипание органического вяжущего к поверхности минеральных материалов. Неполярная часть - не активная, гидрофобная состоит из углеводородной цепи или ароматического радикала.

ПАВ разделяются на ионогенные и неионогенные. Ионогенные вещества в свою очередь подразделяются на анионактивные и катионактивные. В анионактивных веществах углеводородная часть молекул входит в состав аниона, а в катионактивных - в состав катиона. К анионактивным добавкам относятся высокомолекулярные органические кислоты, мылонафт (соли нафтеновых кислот), производные карбоновых кислот (мыла, фенолы и др.). К катионактивным веществам относятся амины, соли аминов и четырехзамещенные аммониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3-10% и катионактивных 0,5-3% массы вяжущего. Катионактивные ПАВ обеспечивают повышение сцепления со всеми горными породами, но особенно эффективно с кислыми. Анионактивные ПАВ повышают сцепление с карбонатными (основными) и почти не влияют на сцепление с кислыми породами.

Введение ПАВ в битум позволяет повысить показатель сцепления битума с поверхностью каменных материалов на 25-50% и, следовательно, повысить коррозионную устойчивость композиционных материалов с их применением.