Добавки, вводимые в органические вяжущие материалы

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов, дегтей), повышения их прилипания к каменным материалам, пластичности, тепло- и погодоустойчивости в битумы и дегти вводят соответствующие добавки.

Добавки по своему назначению и физико-химическому воздействию подразделяют на следующие:

Разжижающие добавки вводят для понижения вязкости органических вяжущих материалов. В качестве таких добавок используют лигроин, керосин, нефть, мазут, жидкие крекинг-остатки, антраценовое масло. Оптимальное содержание разжижителя определяют в лаборатории в зависимости от требуемой вязкости (может колебаться от 2 до 50 %).

Пластифицирующие добавки вводят для уменьшения хрупкости и придания большей пластичности. В качестве пластификаторов используют зеленое масло, мазут, гудрон, антраценовое масло (или деготь). Указанные пластификаторы являются также растворителями (разжижителями), и содержание их колеблется от 2 до 40 %.

Для того чтобы асфальтобетонное покрытие прослужило больший срок, после того, как положили верхний слой асфальтобетонного покрытия, можно покрыть его сверху таким слоем материала, который будет защищать покрытие от атмосферного воздействия (снега, дождя) и отталкивать влагу.

При введении современных гидрофобизаторов в растворы и бетоны, наносимые на поверхность дополнительного слоя дорожной одежды, понижаются требования к атмо-сферостойкости. Таким образом, гидрофобизация позволяет снизить трудоемкость, упростить и ускорить работы.

Гидрофобизация - процесс, происходящий на молекулярном уровне, связанный с обеспечением устойчивости разных строительных материалов к воздействию влаги пу­тем нанесения на поверхность.

Применение гидрофобизаторов, без существенных затрат, предотвращает:

1. процессы разрушения;

2. загрязнение покрытия;

3. многократно уменьшает разрушительное воздействие кислот;

4. снижает расход лакокрасочных и пропиточных материалов;

5. повышается подвижность и пластичность асфальтобетона.

Огнезащитные и антисептирующие составы, применяемые в составе асфальтобетонной смеси, становятся атмосферостойкими, а краски и лаки на водной основе приобретают водоотталкивающие свойства.

Материалы (растворы и бетоны) обработанные гидрофобизаторами сохраняют свои качества при поверхностной обработке - в течение 10 лет (а по косвенным данным, и до 30 лет), при глубинной пропитке - в течение всего срока службы автомобильной дороги.

Модифицирующие добавки изменяют физико-химические свойства и структуру вяжущего. Таким образом, разжижение и пластификация являются частными случаями модификации.

В России и за рубежом применяют регенерированную резину, резиновую крошку, получаемую при вторичной переработке старых автомобильных покрышек. Измельченную резину в порошкообразном (диспергированном) состоянии вводят в битум в количестве 3...5 % при температуре 150...180°С и тщательно перемешивают. При этом происходит набухание резиновых частиц и образуется битумно-резиновая дисперсия, которая отличается высокой растяжимостью при 0°С. Она придает асфальтобетону большую упругость, уменьшает трещинообразование и скользкость, уменьшает его старение.

В качестве модифицирующей добавки используют следующие добавки полимеров: поливинилацетат, полистирол, дивинилстироловый термоэластопласт, эпоксидные смолы, каучуки.

При введении модифицирующих добавок не всегда получают стабильные результаты, но битумы становятся более теплостойкими, резко увеличиваются растяжимость при 0°С, когезия, адгезия.

Добавки, улучшающие прилипание (адгезию). Адгезия определяется двумя факторами: степенью гибкости звеньев макромолекул и полярностью групп. Ориентированная структура, наличие поперечных мостиков между цепями макромолекулы снижают адгезию. Высокая разветвленность молекул с полярными группами увеличивает ее. Все факторы, способствующие большей подвижности звеньев макромолекул и содержанию полярных групп, повышают адгезию. Таким образом, введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, будет способствовать повышению его адгезии к каменным материалам. Такими добавками являются поверхностно-активные вещества.

Поверхностно-активные вещества подразделяют на анионактивные и катионактивные. К анионактивным относят высокомолекулярные органические кислоты, мылонафтсоли нафтеиновых кислот, производные карбоновых кислот - мыла, фенолы и др. К катионактивным веществам относят амины, четырехзамещенные амониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3...10 % и катионактивных 0,5...3,0 % от массы вяжущего. Применение ПАВ облегчает и ускоряет обволакивание и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами.

Эффективность действия ПАВ зависит от вида каменного материала.

Катионактивные ПАВ обеспечивают повышение сцепления со всеми горными породами, но особенно эффективно с кислыми. Анионактивные повышают сцепление с карбонатами (основными) и почти не влияют на сцепление с кислыми породами.

Добавки, улучшающие прилипание (адгезию) битума, вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь. Вопрос о физико-химической природе адгезии связан с сорбционными процессами, протекающими на границе раздела фаз.

Вследствие того что природа сил, обусловливающих сорбционные процессы, носит электрический характер, взаимодействие соприкасающихся поверхностей объясняют возникновением двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Большинство каменных материалов, применяемых в дорожном строительстве, имеют кристаллическое строе­ние с ионной решеткой. При измельчении на их поверхности образуется сложное электрическое поле, знак и величина потенциала которого определяются свойствами ионов и характером их расположения на поверхности.

Большинство основных карбонатных пород (известняки, доломиты) имеют положительный заряд, кислые (гранит, кварц) — отрицательный. В сложном составе битума преобладают анионактивные вещества. С точки зрения электростатической теории адгезии хорошее сцепление битума с известняками объясняется разноименными зарядами поверхности каменного материала и компонентов битума, плохое — одноименными с кислыми (гранит, кварц).

Наряду с физической адсорбцией имеет место хемосорбция активных функциональных групп с карбонатами кальция, магния полуторных оксидов в виде свободных гидратов, с образованием поверхностных соединений типа кальциевых мыл. Таким образом, физико-химические свойства органических вяжущих в значительной мере обуславливают их прилипание (адгезия) к каменным материалам.

Дисперсные (структурирующие) добавки служат для улучшения механических свойств, повышения температурной устойчивости.

К этой группе добавок относятся наполнители (заполнители), которые по форме частиц разделяются на волокнистые и порошкообразные. К волокнистым наполнителям относятся во­локна минеральной ваты, асбеста, полимерных смол, отходы текстильного производства.

Волокнистые наполнители, распределяясь в объеме вяжущего, как бы армируют его и при относительно небольшом содержании (5 - 10 %) существенно повышают прочность (целлюлоза).

Порошкообразные наполнители из горных пород (известняки, доломиты и др.) применяются более широко. При введении минеральных порошков в органические вяжущие, в зависимости от свойств их поверхности, минералогического состава, пористости, шероховатости, а также свойств вяжущего, на зернах порошка формируются адсорбционно-сольватные оболочки связанного битума различной толщины и устойчивости.

Известняковые и кварцевые минеральные материалы по-разному взаимодействуют с битумом. Известняки за счет более интенсивной капиллярной фильтрации вяжущего и его компонентов внутрь минеральных зерен и адсорбционных процессов образуют достаточно прочное соединение с битумом. Это способствует образованию водо- и теплоустойчивых асфальтовых систем с относи­тельно высокими механическими свойствами.

Кварцевые минеральные материалы адсорбируют битумы значительно слабее, чем известняки. При этом сорбированная часть находится в непрочной связи, так как легко адсорбируется тем же растворителем. Образующиеся при адсорбции оболочки менее развиты, чем на зернах известняка, и менее прочно удерживаются на его поверхности.

При концентрации минерального порошка 70 ... 75 % образуется новая структурная система, в которой контакты осуществляются по оболочкам адсорбционно-сольватных слоев. При этом происходит резкое повышение показателей механической прочности, которое объеди­няется тем, что битум в тонких слоях адсорбционных оболочек имеет повышенную вязкость. Эту закономерность необходимо учитывать при проектировании составов гидроизоляционных материалов и асфальтобетонов.

Другие специальные добавки вводят для повышения огнестойкости: 1-5% фосфатов (ортофосфорной кислоты), квасцов, сульфита аммония, производных брома и др. Для устойчивости к микроорганизмам применяют 2 ... 5% перманганата калия, соли окиси цинка, производных соединений фенола, креозота, 5 ... 15 % фенольного пека или тяжелого каменноугольного масла.

Для устойчивости к действию масел и топлив добавляют серу. Для приготовления цветных бетонов применяют светлые, бесцветные полиэфирные смолы, канифоль, поливинилацетатную эмульсию. Для пластификации указанных смол применяют различные масла: талловое, тунговое, антраценовое, а также олифу и др.

Широкое распространение получил МАК-битум (Multigrade Asphalt Cement) – новый материал для российских дорожников.

Он получается путем растворения в битуме МАК-порошка сложной композиции, содержащей в том числе полимеры. МАК-порошок фракции песка коричневого цвета с истинной плотностью 1,11 и насыпной плотностью ~0,6 г/см³, обладает заметной гигроскопичностью и слеживаемостью. Битум, модифицированный МАК-порошком, имеет повышенную вязкость и температуру размягчения по КиШ, доходящей иногда до 90 °С.

Вяжущее с такими свойствами позволяет получать щебеночно-мастичные смеси без применения целлюлозных добавок. МАК-битум разжиженный, например, дизельным топливом, делает холодные асфальтобетонные смеси более стабильными и удобоукладываемыми.

Комплексные вяжущие вещества

 Композиционные (комплексные) вяжущие. В последнее время предложено большое количество различных добавок (модифицирующих, пластифицирующих) к органическим вяжу­щим, которые вводятся в относительно большом количестве (более 10 . . . 20 %), что позволяет рационально использовать отходы и увеличить выход вяжущего. Такие вяжущие называют комплексными (композиционными).

К комплексным вяжущим веществам относятся компаундированные вяжущие. Они создаются с целью улучшения качеств сложного вещества по сравнению с исходными, более надежного и долговечного, более низкой стоимости.

Компаундированные вяжущие вещества (компаунды) получают сплавлением или смешением органических вяжущих веществ различных видов и марок.

К ним относят битумно-полимерные, битумно-дегтевые и битумно-пековые, каучуковые путем объединения синтетических каучуков,

битумные путем сплавления битумов разных марок,

полимерные путем сплавления двух или нескольких полимеров.

В лабораторных условиях устанавливают наилучшие количественные соотношения компонентов компаундов, позволяющие получать на необходимом уровне их теплостойкость, адгезию к минеральным материалам, биостойкость, деформативность и т. п.

В битумно-полимерных композициях изменяют количество полимеров в широких пределах, например от 1 до 40% и более.

В качестве пластификаторов битума используют полипропилен,, полиизобитулен, низкомолекулярный полистирол, полидиен и др. Среди многочисленных веществ, добавляемых к битумам, эффективными являются натуральные и синтетические каучуки, так как значительно увеличивают деформативность, поскольку сами обладают очень высокой деформативностью, например, до 1000%.

С некоторым эффектом используется для тех же целей регенерированная резина, например от автопокрышек, предварительно освобожденных от примесей, в частности, текстильной ткани. Кроме повышения деформативности при низких и отрицательных температурах возрастают химическая стойкость битумно-резиновых компаундов, их температуростойкость, механическая прочность, адгезионная способность. Невулканизоваппый каучук оказывает более сильное влияние на свойства битума, чем вулканизованная резина.

Технические требования к композиционным битумно-резиновым вяжущим

Наименование показателей	Нормы для композиционного резинобитумного вяжущего марок
	200/300	130/200	90/130	60/90	40/60
1	2	3	4	5	6
Глубина проникания иглы, дмм: при 25 °С при 0 °С, не менее*)	201-300 30	131-200 25	91-130 20	61-90 15	40-60 10
Температура размягчения, °С, не ниже	40	44	48	52	56
Температура хрупкости, °С, не выше	-32	-28	-24	-20	-16
Растяжимость при 0 °С, см, не менее	15	10	8	6	4
Растяжимость при 25 °С, см, не менее**)	22	18	14	12	10
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более	6	6	5	5	5
Эластичность при 0 °С, %, не менее	30	30	30	30	30
Сцепление с песком	Выдерживает по образцу № 2
Размер неоднородностей, мм, не выше	2

 

*) Показатели глубины проникания иглы при 25 и 0 °С приняты как основа для экспресс-определения усредненных реологических характеристик вяжущих и их классификации, хотя для неоднородных композиционных вяжущих они не являются полностью адекватными, особенно при низких температурах.

**) Высокая величина растяжимости при 25 °С, заложенная в ГОСТе для дорожного битума, свидетельствует только об его однородности и высокой способности к течению под нагрузкой, что приводит к низкой сдвигоустойчивости дорожных покрытий при нормальных температурах. Способность вязкого битума вытягиваться в тонкие нити совершенно не реализуется в условиях эксплуатации, а температура 25 °С не соответствует каким-либо расчетным режимам работы дорожных покрытий.

Поэтому показатель растяжимости при 25 °С для неоднородных композиционных вяжущих материалов принят как факультативный. Этот показатель косвенным образом может характеризовать степень абсорбции жидких фракций битумов резиновой крошкой и соотношение асфальтеновых и смоляных фракций в остающейся дисперсионной среде.

В качестве исходных применяют битумы нефтяные дорожные вязкие марок БН, БНД по ГОСТ 22245-90 и жидкие битумы марок МГ и МГО по ГОСТ 11955-82.

Используется мелкодисперсная резиновая крошка, которая представляет собой крошку из резин общего назначения, в том числе из резины, получаемой дроблением изношенных автомобильных шин или других РТИ.

Крошка должна иметь размеры частиц в диапазоне 0,3-0,5 мм и отвечать требованиям технических условий ТУ 38.108035-97 “Резина дробленая марок РД 0,5; РД 0,8; РД 1,0; РД 1,2; РД 1,6; РД 2,0; РД 5,0; РД 8,0; РД 10,0”

При введении в состав вяжущего резиновой крошки в количестве 5-10 % (по массе) содержание минерального порошка в смеси целесообразно снижать по сравнению со стандартным.

Температура смесей на вяжущем БИТРЭК при выпуске из смесителя должна соответствовать:

Марка вяжущего по глубине проникания иглы	40-60	60-90	90-130	130-200	200-300
Температура смеси, °С	170-180	170-180	165-175	165-175	150-170

Асфальтобетоны на композиционном вяжущем, за счет его повышенной пластичности, уплотняются проще и легче, чем на обычных битумах. Сдвиги, наплывы, трещинообразование, разрывы при укладке отсутствуют даже при включенном виброприводе катка. Может наблюдаться сокращение проходов катка и других уплотняющих механизмов по сравнению с нормативным. Ввиду высокой адгезии вяжущего в большинстве случаев не требуется предварительная подгрунтовка существующих слоев оснований, а также на спайках со старым покрытием.

Резинобитумное вяжущее обеспечивает повышение качества и технологичность приготовления асфальтобетонных смесей. Применение вяжущего БИТРЭК для приготовления асфальтобетонной смеси повышает трещиностойкость (на 20-25 % по показателю прочности при 0 °С), сдвигоустойчивость (на 40-45 %) и водостойкость асфальтобетона (до значений, близких к 1).

Асфальтобетон на вяжущем БИТРЭК обладает более высоким модулем упругости при рабочей температуре, что значительно повышает его работоспособность в дорожных конструкциях. Асфальтобетон на вяжущем БИТРЭК позволяет увеличить межремонтные сроки службы асфальтобетонных покрытий в 2-3 раза, что дает значительную экономию физических и материальных затрат на стадии эксплуатации. Экономия на 1 м2 покрытия автодороги за расчетный срок службы дорожной одежды (16 лет) ориентировочно составляет 2,3 раза от затрат на обслуживание и поддержание типового покрытия.

Асфальтобетон на резинобитумном вяжущем рекомендуется применять для устройства верхних слоев дорожных покрытий, в первую очередь, на наиболее ответственных участках автомобильных дорог, мостах, аэродромах. Особенно эффективно использовать асфальтобетоны на вяжущем БИТРЭК в районах с резко континентальным климатом, а также на объектах с повышенными динамическими воздействиями на покрытие (например, на полосах примыкания к трамвайным путям и т.п.). Мастичный материал на основе композиционного резинобитумного вяжущего рекомендуется применять для заполнения швов и трещин в покрытиях.

В строительной практике находят применение битумно-полимерные вяжущие сложного состава, например из трех, четырех или большего количества органических компонентов.

Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) готовят на основе вязких дорожных битумов введением полимеров - блок-сополимеров типа СБС, пластификаторов и ПАВ.

Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) по ГОСТ Р 52056 - 2003. Применяется при строительстве, реконструкции, ремонте автомобильных дорог, мостов и аэродромов.

ПБВ относятся к классу эластомеров и поэтому они отличаются от битумов высокой эластичностью, которая составляет до 70 % и сохраняется при низких температурах.

Отличительные особенности ПБВ от битумов:

1. повышенная эластичность;

2. более низкая температура хрупкости;

3. более высокая температура размягчения.

Применение полимерно-битумных вяжущих позволяет:

1. исключить колеобразование на дорогах в летний период времени;

2. обеспечить трещиностойкость асфальтового покрытия зимой;

3) повысить деформационную устойчивость полимерасфальтобетона на всем диапазоне эксплуатационных температур;

4. увеличить коррозионную стойкость покрытий;

5. обеспечить безопасность движения автомобилей.

В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С ПБВ подразделяют на следующие марки: ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ 130, ПБВ 90, ПБВ 60 и ПБВ 40.

Наименование показателя	Норма для вяжущего марки
	ПБВ 300	ПБВ 200	ПБВ 130	ПБВ 90	ПБВ 60	ПБВ 40
1 Глубина проникания иглы, 0,1 мм, не менее, при температуре:
25 °С	300	200	130	90	60	40
0 °С	90	70	50	40	32	25
2 Растяжимость, см, не менее, при температуре:
25 °С	30	30	30	30	25	15
0 °С	25	25	20	15	11	8
3 Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже	45	47	49	51	54	56
4 Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше	-40	-35	-30	-25	-20	-15
5 Эластичность, %, не менее, при температуре:
25 °С	85	85	85	85	80	80
0 °С	75	75	75	75	70	70
6 Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более (по абсолютной величине)	7	7	6	6	5	5
7 Температура вспышки, °С, не ниже	220	220	220	220	230	230
8 Сцепление с мрамором или песком	Выдерживает по контрольному образцу № 2
9 Однородность	Однородно

В других сложных составах нередко можно встретить пластификаторы типа полиэфирных, эпоксидных и других смол, что увеличивает растяжимость битумов. Среди дополнительно вводимых компонентов встречаются также растворители (например, ксилол, толуол и др.), поверхностно-активные добавки и др.

На физико-механические свойства вяжущих веществ кроме вида и качества добавляемых веществ в битумпо-полимерные компаунды и их количества оказывает влияние технология объединения и режимы (частота вращения смесительных агрегатов, температуры объединения исходных веществ, конструктивные особенности установки смешения и др.).

Во всех случаях всегда важно получать однородный по структуре компаундированный продукт, обладающий однообразием своих свойств. Большую пользу приносит механическая обработка па вальцах, подогретых до необходимой температуры. Более распространенным способом служит перемешивание в мешалках с зет-ообразными лопастями. Если в составе предусмотрен растворитель, то после выхода вяжущего вещества из мешалки оно пригодно для применения в холодном состоянии. Чаще, однако, используются способы получения горячих компаундов и мастик на их основе, так как в отсутствие растворителей они более безвредны для здоровья.

Под влиянием высокой температуры, например в пределах 150 ... 180°С или выше, битумно-полимерная композиция становится однородной после тщательного перемешивания компонентов и вследствие интенсивного разрушения первоначальных структур.

При введении полимера в горячий битум происходит нагревание полимера с выравниванием температуры возникающего компаунда. При этом подвижные молекулы углеводородов битума и его распавшихся мицелл способны заполнять те свободные пространства, которые на мгновение возникают под влиянием непрерывного изменения геометрической формы макромолекул линейного полимера. По мере поглощения битума как своеобразного пластификатора происходит набухание полимера и потеря его прочности, снижаются температуры перехода полимера из упругоэластического в пластическое состояние. Теряя молекулярные силы связи, набухающий полимер в битуме способен постепенно распадаться на отдельные макромолекулы, которые переходят в битум. Проявляется двусторонняя диффузия: мицеллы битума проникают в межми-деллярное пространство полимера, а отдельные цепи молекул и мицеллы полимера проникают в битум. Двусторонняя диффузия завершается образованием битумополимерного вещества, что ускоряется при принудительном перемешивании.

С повышением частоты сетки в полимере пластичность их убывает, а в густосетчатых она практически отсутствует. И тогда полимеры лишены способности набухать и диффундировать в битуме, поэтому используют полимеры со сравнительно пониженной молекулярной массой.

Синтез термореактивных смол приостанавливают на стадии, когда смесь сохраняет вязкотекучее состояние. К таким полимерам, нашедшим применение в битумополимерных веществах, относятся фенолформальдегид, мочевиноформальдегид (карбамидные смолы), полиметакрилаты (ненасыщенные термореактивные полиэфиры) и эпоксидные смолы. В них, кроме физического процесса диффузии с образованием однородной битумополимерной системы, не исключена возможность реакционного взаимодействия за счет наличия функциональных групп — свободные эпоксидные группы, фенольные гидроксильпые группы, подвижный водород ароматического и фуранового цикла, перекисные, карбонильные и другие группы. Возможны новые связи между компонентами, изменение структуры битумополимерного вещества. Инфракрасная спектроскопия позволила установить появление новых, структурных микроэлементов (фазы). Электронно-микроскопические исследования показали возрастание дисперсности асфальтенов в битумах, к которым были добавлены фурановые полимеры. В результате структурных изменений вяжущее вещество приобретает новые, обычно улучшенные показатели свойств по сравнению с исходным битумом.

24