2456

Таблица 3.5

Свойства полимерно-битумных вяжущих, приготовленных на битумах разной природы

Полимерно-битумное вяжущее изготавливалось на промышленной установке концерна «Космос» (г. Москва) и доставлялось в Санкт-Петербург битумовозами.

По результатам четырехлетнего наблюдения за состоянием полимерасфальтобетонных и асфальтобетонных покрытий не установлено преимуществ ПБВ по сравнению с битумом марки БДУ 70/100 [83]. Полимерно-битумные вяжущие использовались также при изготовлении литых асфальтобетонных смесей, щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Установлено, что работоспособность ПБВ в составе дорожного покрытия зависит от качества исходных материалов, соблюдения рецептуры, квалификации обслуживающего пер-

226

сонала, соблюдения технологических режимов приготовления и хранения.

Анализируя результаты исследования по применению полимеров СБС в ПБВ, В.А.Золотарев выделяет две принципиально различные структуры вяжущих [41.] В первой структуре средой является битум, а фазой – полимер. Образуется она при содержании полимера в диапазоне от 2,5 до 3,5 % в составе битума – получается битумополимерное вяжущее. Увеличение содержания полимера более 5 % приводит к тому, что он становится средой, образующей непрерывную матричную сетку, а фазой – битум, в результате получается ПБВ. По-видимому, между этими структурами должна существовать структура переходного типа. По мнению автора, вид структуры оказывает существенное влияние на свойства вяжущего и асфальтобетона. Когда в вяжущем образуется первый тип структуры, температура хрупкости

иглубина проникания иглы при 0 °С практически соответствует показателям исходного битума. Существенно растет температура размягчения и уменьшается глубина проникания иглы при 25 °С. Наиболее эффективно это происходит при изготовлении ПБВ на маловязком битуме. Тип вяжущего и его вязкость оказывают влияние и на эластичность вяжущего.

В.А.Золотарев рекомендует применять в дорожном строительстве России и Украины ПБВ при содержании полимера СБС не более 3,0 – 3,5 % в сочетании с менее вязкими битумами марок БНД 130/200

иБНД 90/130. В этом случае обеспечивается работоспособность асфальтобетона при высоких летних и низких зимних температурах

[41].

Автор обращает внимание на то, что в связи со спецификой влияния полимера на свойства битума и асфальтобетона, традиционные методы оценки качества таких вяжущих не дают возможности судить об эксплуатационных свойствах покрытий. Необходимо разрабатывать новые, более объективные методики оценки свойств ПБВ

иасфальтобетонов.

ВПольше исследования, связанные с модифицированием битума термоэластопластом Карифлекс-ТР, выполнены Z. Ludycki [42]. Им детально изучены реологические и стандартные свойства битумов марок D 70 и D 200 с добавкой 2, 4, 6 и 8 % полимера. Показано положительное влияние полимера СБС на свойства битума, а также приготовленных на нем асфальтобетона и щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА. Введение Карифлекс-ТР в битум приводит к за-

227

медлению процесса старения ПБВ по сравнению с битумом. Применение ПБВ обеспечивает деформативность асфальтобетона при положительных и отрицательных температурах.

Исследование возможности и целесообразности использования полимера SBS (СБС) Кратон 1101 СМ и извести-пушонки в асфальтобетонных смесях проводилось применительно к нефтяным польским битумам марок D 35/70 и D50/70 [42]. Полимер СБС применялся как модифицирующая добавка к битумам, а известь-пушонка – в качестве добавки к минеральному порошку.

Эффект действия этой комплексной добавки усиливается при содержании полимера SBS до 8 %, и извести-пушонки до 50 % в минеральном порошке. Это приводит к улучшению структурнореологических свойств, повышению когезии, адгезии битумов к минеральным материалам и замедлению старения вяжущего. Рекомендовано применять полимер в количестве до 6 % по массе. Известьпушонка структурирует ПБВ, улучшает его взаимодействие с минеральными материалами в составе асфальтобетона и создает возможность применения кислых минеральных материалов. Синергизм действия извести-пушонки и полимера СБС обеспечивает водо- и морозостойкость асфальтобетона и ЩМА, их трещиностойкость независимо от природы минерального материала, повышает деформативность в интервале температур от минус 20 до 60 °С и устойчивость к термоокислительному старению.

Авторы работы [49] считают, что традиционные показатели свойств битумов неприменимы для характеристики свойств ПБВ. Например, с введением добавки полимера температура размягчения вяжущего увеличивается. Однако применительно к некоторому региону нормировать определенную температуру размягчения для ПБВ затруднительно. Различные битумы могут иметь одинаковые температуры размягчения, однако при введении добавки одного и того же полимера температура размягчения возрастает в разной степени

(рис.3.13).

На рис. 3.14 показано увеличение напряжений в процессе охлаждения асфальтобетонного образца вплоть до разрушения и зависимость прочности на растяжение от температуры. Температура, при которой эти кривые пересекаются, условно называется температурой хрупкости (минус 30,8 °С для смеси на данном ПБВ).

Сравнение температуры хрупкости ПБВ с температурой хрупкости асфальтобетона показало, что температура хрупкости ПБВ на 13 –

228

20 °С выше [49]. Причем отличие между этими показателями увеличивается с увеличением содержания полимера. Следовательно, испытание ПБВ на приборе Фрааса недооценивает положительный эффект модификации битума полимером.

Рис. 3.13. Зависимость температуры размягчения ПБВ от содержания полимера SBS, марки и природы битума:

- битум АС-20 из нефтяного сырья юго-запада США;

■– битум марки 85/100 из канадской нефти;

▲- битум марки 85/100 из венесуэльской нефти. Температура размягчения всех битумов равна 48 ОС

Такие показатели, как пенетрация и растяжимость, оказались также мало пригодными для характеристики поведения ПБВ при отрицательных температурах.

Для характеристики свойств битумных вяжущих в США разрабатывается система «Суперпейв» (Superpave), которая объединяет в себе определение характеристик битумных материалов на основе эксплуатационных параметров и проектных условий окружающей среды. Улучшение эксплуатационных характеристик вяжущих достигается контролем колееобразования, низкотемпературного и усталостного растрескивания.

229

2.Существенное влияние на свойства ПБВ оказывает тип дисперсной структуры битума при любом содержании полимера, а также марка исходного битума. Тип дисперсной структуры исходного битума оказывает значительно большее влияние на качество ПБВ, чем марка исходного битума одного типа структуры.

3.Для образования пространственной структурной сетки в ПБВ на основе битумов марок БНД необходимое минимальное количество ДСТ-30Р-01 составляет 2,0 – 2,5 %, в ПБВ на битумах марок БН – 3,5

–4,0 %.

При получении ПБВ без пластификатора целесообразно использовать битумы пониженной вязкости, а содержание полимера увеличивать до 5 – 6 % по массе.

4.Устойчивость к старению ПБВ с пластификатором практически не отличается от битумов, а устойчивость к расслоению по некоторым показателям выше.

При длительном хранении ПБВ или транспортировании при температуре 160 °С вяжущее следует перемешивать с периодичностью 2

–3 ч.

5.Сопоставление нормативных требований ПБВ в соответствии с ГОСТ Р 52056 с зарубежными спецификациями на ПБВ показывает, что оно превосходит мировые аналоги по показателям трещиностойкости и деформативности при низких температурах и адгезионным свойствам.

При этом отечественные ПБВ отличаются меньшей стоимостью, чем зарубежные, так как содержат минимально необходимые количества полимера и пластификатора [2, 9].

6.Полимерно-битумные вяжущие на основе СБС по сравнению с битумами обладают высокой эластичностью, трещиностойкостью и деформативностью при низких температурах.

7.Применение ПБВ для приготовления горячих полимерасфальтобетонных смесей позволяет получить полимерасфальтобетоны с более высокими показателями сдвигоустойчивости, трещиностойкости, морозостойкости и долговременной прочности, чем асфальтобетоны на битумах.

232

3.2. Свойства битумов, модифицированных добавками термопластичных полимеров

В качестве модифицирующих добавок к битумам используют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, атактический полипропилен, этиленвинилацетат, элвалой АМ, Вископласт-S, неф-

теполимерные смолы [6, 8, 12, 19 – 23, 44, 55, 57, 58, 60, 84, 89].

Термопласты модифицируют битум, создавая в нем жесткую пространственную сетку, сопротивляющуюся деформированию. Непрерывная пространственная сетка термопласта образуется при его содержании в вяжущем около 6 %.

Термопласты повышают когезию, теплостойкость, эластичность, адгезионные свойства, снижают хрупкость вяжушего при отрицательных температурах. Большинство термопластов хорошо растворяются в битуме при температуре 150 – 170 ºС.

Эти полимеры обладают высокой прочностью, однако они недостаточно эластичны и трещиностойки при низких отрицательных температурах, некоторые полимеры имеют повышенную склонность к старению.

3.2.1. Свойства битумов, модифицированных полиэтиленом

Свойства битума, модифицированного вторичным полиэтиленом низкого давления, изучены в работе [19]. Вяжущие получали на лабораторной установке, позволяющей перемешивать смеси объемом 1,0 – 1,5 л при температуре 320 ºС и частоте вращения вала мешалки 40 –

350об./мин.

Вторичный полиэтилен в количестве 10 – 50 % по массе вводился

в расплавленный битум марки БНД 60/90 при температуре 150 – 160 ºС. Затем осуществлялся дальнейший нагрев смеси со скоростью около 5 ºС/мин до температуры 270 – 290 ºС.

Автором установлено, что повышение температуры приводит к активизации взаимодействия компонентов и формированию качественно новых структурных образований. Высокотемпературная гомогенизация характеризуется частичным расщеплением макромолекул полиэтилена и битума и образованием радикал-свободных валентностей, в результате чего фрагменты молекул полиэтилена и битума реагируют между собой. Осуществляется химическое взаимодействие нафтеновых компонентов битума с полимерной матрицей. Формиру-

233

ется новая структура с прочным соединением полярного и аморфного битума с неполярным структурно-вязким полиэтиленом.

Микроскопическими исследованиями установлено, что в с структуре вяжущего, полученного при температуре 280 °С, образуется две непрерывные фазы (полиэтилен и битум), переплетенные одна с другой – структура «сетка в сетке». При температуре 220 – 240 °С подобной микроструктуры не наблюдалось.

При повышениии температуры гомогенизации смеси свойства модифицированного битума существенно изменяются. Вяжущее, приготовленное при 280 ºС и содержащее 10 % полиэтилена, имело следующие свойства: глубина проникания иглы при 25 ºС составляла 80∙0.1 мм, температура размягчения 70 °С, температура хрупкости минус 25 ºС. В работе установлена зависимость продолжительности окисления от соотношения массовой доли полиэтилена и битума, она составляет от 1ч (10:90) до 2 ч (50:50) [19].

3.2.2. Свойства битумов, модифицированных атактическим полипропиленом

Свойства ПБВ на основе битума БНД60/90 и атактического полипропилена Томского нефтехимкомбината изучены в СибАДИ [23, 57]. Вяжущие получали в лабораторном реакторе с пропеллерной мешалкой при температуре 155 – 160 ºС и продолжительности перемешивания 1ч. Дозировки АПП составляли от 5 до 15 % от массы битума.

По комплексу стандартных свойств битум соответствовал требованиям ГОСТ 22245-90 к битуму марки БНД 60/90 и относился к III типу структуры (золь-гель). Свойства битума и ПБВ приведены на рис. 3.15.

При добавлении АПП в битум понижается пенетрация при 25 ºС, повышается пенетрация при 0 ºС. Увеличивается теплостойкость, так как возрастает температура размягчения Тр и повышается индекс пенетрации ИП. Температура хрупкости Тхр полимерно-битумного вяжущего на 6 – 8 ºС ниже, чем у битума, что указывает на повышенную трещиностойкость ПБВ. Способность ПБВ к эластическим деформациям определяет их важнейшие преимущества по сравнению с битумом. При содержании АПП выше 10 % по массе показатель эластичности Э понижается. ПБВ имеют значительно более широкий интервал работоспособности ИР, лучшие адгезионные свойства, устойчивы к старению.

234