Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Битумные вяжущие. Учебное пособие
.pdf
размер частиц. Очевидно, что небольшие количества полимера
также
(1÷ 2 %) способны растворятся в низкомолекулярной части битума –
маслах. При больших добавках полимер распределяется в битуме в
виде отдельных, не связанных между собой частиц. Эффект их действия аналогичен влиянию наполнителя. При 5÷10 %–ной добавке, частицы увеличиваются в размере, очевидно, за счет агрегации, сближаются между собой и при 10÷15 %-ной концентрации образуют рыхлую сетчатую структуру. При содержании полимера свыше 25 % битум включается в структурные ячейки полимера и происходит обращение фаз [52].
При небольших концентрациях полимера композиции можно
рассматривать как дисперсионно упрочненные. При этом упрочнение
происходит за счет того, что тонкие дисперсные частицы препятствуют движению дислокаций в матрице (битум). Степень упрочнения
пропорциональна сопротивлению, оказываемому частицами движению дислокаций. Такой эффект наблюдается при содержании дисперсной фазы (полимера) в размере 2÷4 % об. Если посмотреть на
свойства полимер-битумных композиций с содержанием 3÷5 % полимера, то обнаружится заметное снижение температуры хрупкости, без
увеличения деформативной способности. Очевидно, что снижение
температуры хрупкости происходит за счет возрастания прочности.
При большей концентрации полимера в битуме композиции
можно рассматривать как волокнистые или слоистые. Матрица превращается в среду, передающую нагрузку на волокна, а в случае их
разрушения перераспределяет напряжения. Такие композиции характеризуются повышенной прочностью, эластичностью и сопротивлением усталостному разрушению, что особенно необходимо для обеспечения эксплутационной надежности материала. Процесс разрушения
подобных композиционных материалов начинается, как обычно, с
роста микротрещин, затем, при встрече с частицей высокомодульного
каучука или полимера, затормаживается, далее уменьшается и даже
прекращается вовсе вследствие релаксации перенапряжений в вершине трещины [53- 55].
В теории композиционных материалов большая роль отводится поверхности раздела двух фаз и переходному слою, который обладает особыми свойствами по сравнению с каждой из фаз. На поверхности раздела возможны частичное растворение полимера и матрицы
и так называемая сегментальная растворимость (рис. 2.1.).
41
а б в
Рис. 2.1. Микроструктура композиций битума:
а – с 1 % мас. СКЭПТ–Э–30 при 25°C; б – с 5 % мас. СКЭПТ–Э–30
при 25°C; в – с 20 % мас. СКЭПТ–Э-30 при 25°C [55]
Усиление композиции объясняется наличием особых свойств
переходного слоя, в котором сильно понижена энергия когезии по
сравнению со средним значением для смеси, что обеспечивает большую скорость релаксационных процессов. Предполагается, что трещина, встречаясь с переходным слоем, гасит перенапряжения. Таковы теоретические предпосылки получения и использования полимербитумных композиций, содержащих в основном каучуки и термопласты.
Структурирующие композиции позволяют расширить интервал работоспособности материала, так как одновременно повышается
его теплостойкость и морозоустойчивость. Однако требования строительства настолько многообразны, что применяемые на практике добавки выходят за пределы рассмотренных представлений. С целью
повышения трещиностойкости (снижения температуры хрупкости)
применяют добавки морозостойких масел или олигомеров, которые,
хотя и снижают теплостойкость, увеличивают низкотемпературный
предел применения битумов. Эти добавки были названы пластифицирующими. Они обогащают масляную среду битумов, включаясь в их
коллоидную структуру. Такие добавки обычно не расширяют интервал пластичности композиций, основная цель их применения – повышение трещиностойкости при пониженных температурах.
Добавки минеральных порошков, вводимых в битум для снижения текучести, отнесены к третьему типу – стабилизирующих. Они
также не способствуют увеличению рабочего температурного интервала. Как правило, таким путем удается повысить теплостойкость, однако при этом повышается и температура хрупкости.
42
всех перечисленных видов добавок наибольший интерес
Из
представляют структурирующие добавки. С их помощью удалось
расширить интервал работоспособности до 200 оС (от –50 оС до +150
о
С), сделав возможным использование полимер–битумных материалов
как в северных, так и в южных районах страны.
Высокой атмосферостойкостью среди полимеров отличаются
полиолефины. Полимеры этого класса в первую очередь и были исследованы в смесях с битумом. Были взяты этиленпропиленовые каучуки различных марок, бутилкаучуки, полиэтилены и сополимеры
этилена с пропиленом различной степени разветвленности.
С вопросом о полимер-битумных композициях возникают вопросы о выборе оптимальных добавок полимеров и битума, а также о
совместимости полимеров с битумами.
Совместимость – это способность полимеров образовывать
друг с другом смеси с удовлетворительными механическими свойствами. Очень редко при совмещении наблюдается неограниченная растворимость с образованием однофазной смеси. Чаще имеет место ограниченная растворимость с образованием двухфазных систем. Их
свойства связаны с особенностями процесса взаимного диспергирования, то есть технологии смешения и типа выбранных ингредиентов.
Наиболее часто для модификации применяют полимеры, способные частично растворяться или набухать в растворителях алифатического и тематического ряда или в минеральных марках.
Для улучшения совместимости полимеров с битумом, нерастворимых и не набухающих в указанных растворителях, в качестве
третьего компонента добавляется полимер, хорошо совместимый с
битумом.
При совмещении полимеров с высокоокисленными битумами,
содержащими мало масляных компонентов, полимер предварительно
пластифицируют маслами ароматической или нафтеновой природы.
С целью облегчения совмещения битумов с полимерами последние вводятся в смеситель в виде латексов, олигомеров и других, а
затем в компаунд добавляются вулканизирующие агенты. Иногда в
битум вводят мономеры и полимеризацию осуществляют прямо в
смесителе.
Так как гудроны и низкоокисленные битумы содержат больше
масляных компонентов и менее вязки, полимеры могут быть сначала
43
смешены
обходимой теплостойкостью.
они должны быть максимально измельчены.
смесителях при температуре 150 оС, но не превышающих температуру
разложения полимеров, или каландрованием на вальцах в различных
температурных режимах.
ются набухающие в нем полимеры. При набухании происходит перестройка дисперсной структуры битума, основой которой является перераспределение масляной фракции. В нефтяных битумах ароматические масла и смолы частично ассоциированы асфальтенами, благодаря
чему последние находятся в тонко диспергированном состоянии. Введение набухающего полимера сопряжено с уменьшением массовой
доли масляной фракции и перераспределением ассоциированных асфальтенами масел. Удаление их с поверхности асфальтенов приводит
к перестройке дисперсной системы, крайним пределом которой является коагуляция асфальтенов в виде твердой фазы.
объектом применения. В частности, необходимо учитывать, что при
содержании полимера в системе 1÷3 % мас. интервал пластичности
расширяется преимущественно за счет низкотемпературной области, а
при введении полимера более 5 % мас. значительно повышается теплостойкость компаунда [53÷55].
с ними, а затем смесь окислена до получения продукта с не-
Для улучшения совместимости твердых полимеров с битумами
Совмещение полимеров с битумами обычно осуществляется в
Итак, наиболее эффективными модификаторами битума явля-
Массовая доля полимера в композиции определяется также
2.2. Битум-полимерные вяжущие материалы
Битумный вяжущий материал является основным структурообразующим компонентом асфальтобетона, в большой степени предопределяющим его свойства. Благодаря битумному вяжущему материалу отдельные минеральные зерна образуют прочный монолит, способный противостоять механическим усилиям и действию атмосферных факторов. Битумный вяжущий материал одновременно сообщает
асфальтобетону и необходимую пластичность.
44
Наибольшее распространение в дорожном строительстве находят нефтяные битумы. Их получение оказалось доступным и рентабельным по сравнению с природными битумами.
Стандартами предусматривается выпуск достаточно широкого
ассортимента дорожных битумов для устройства различных дорожных покрытий в разнообразных климатических условиях.
В разработке методов модификации битумов различного типа
полимерами для получения материалов для дорожного строительства
уже накоплен определенный опыт.
В обширной литературе, посвященной этой теме, существуют
две группы работ. Первая группа посвящена утилизации различного
типа отходов, либо вторичного сырья. Большей частью в этих работах
решают экологические проблемы путем закатывания различных полимеров в измельченном виде в дорогу, и основной проблемой при
этом является то, что надо не испортить свойства дорожного покрытия. Отмечается, что, так как вторичное сырье, различные отходы не
обладают постоянством свойств, их использование для модификации
битумов приводит к разнобою в их качестве. Поэтому требуется контроль характеристик каждой партии модифицированного битума по
данным лабораторного анализа.
Однако среди этой группы работ необходимо выделить один
раздел, который имел и имеет в настоящее время важнейшее значение
для получения модифицированных полимерами битумов. Речь идет об
использовании резиновой крошки, вторичного сырья, образующегося
при утилизации отработанных шин и различных резино-технических
изделий. Различные аспекты получения, использования резиновой
крошки подробно рассмотрены в работах [56÷58]. Отмечается, что
резино-битумные композиции на основе крошки характеризуются высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, повышенной твердостью, эластичностью, гибкостью, значительно повышается износо- и
морозостойкость дорог, снижается шумообразование, сокращается
тормозной путь, увеличивается срок службы дорог.
Вторая группа работ относится к улучшению свойств битумных вяжущих введением полимеров. Введение подходящего полимерного модификатора (компаунда) придает битумному материалу большую тепло– и морозоустойчивость, эластичность, повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, повышает его долговечность
и механическую прочность.
45
Битумы
нефтяные дорожные модифицированные и битумы
нефтяные дорожные улучшенные применяются:
– в условиях постоянного роста интенсивности движения, и
как следствие этого, увеличение нагрузок на дорожные покрытия, а
также покрытия взлётно–посадочных полос аэропортов;
– для повышения эксплуатационной надёжности дорожных
битумов в покрытиях;
– в минеральных соединениях с низкими клейкими свойствами;
– в случае высокого пористого слоя асфальтовой поверхности;
– для увеличения качества асфальтового полотна дорог.
Отметим общие преимущества применения битумов нефтяных дорожных модифицированных и битумов нефтяных дорожных
улучшенных:
– хорошие адгезионные свойства к минеральным материалам;
– низкотемпературная гибкость и эластичность, а также стойкость к течению при повышенной температуре;
– способность к быстрому снятию напряжений, возникающих
в покрытии под воздействием движущегося транспорта;
– повышенная сопротивляемость усталостным нагрузкам, возникающим при циклических перепадах температур;
– расширенный температурный диапазон эксплуатации, морозостойкость;
– повышенная твердость и механическая прочность.
Экономические соображения требуют, чтобы модифицирующий эффект полимеров был значительным при малых добавках.
Введение модификаторов улучшает основные показатели полимер–битумных вяжущих: увеличивают температуру размягчения,
снижают температуру хрупкости, улучшают адгезию, кроме того,
придают вяжущим эластичность, а, следовательно, способность к
большим эластичным деформациям.
Применение полимер-битумных вяжущих повышает долговечность материалов и снижает затраты на их ремонт. Материал, приготовленный с использованием модифицированных битумов, обладает
улучшенными свойствами: повышенной тепло-, морозо-, водостойкостью, прочностью, сдвигоустойчивостью.
История совмещения битумов с полимерами насчитывает более 160 лет. Первый пaтент на такую композицию принадлежит Хан-
46
(1823 год), а в 1844 году появляется патент Касселя на использо-
коку
вание таких композиций в дорожных покрытиях.
Полимер-битумные композиции представляют собой физические смеси типа грубодисперсных суспензий или эмульсий. При создании таких композиций образуется дисперсная система, состоящая из
трех фаз: полимера, мальтенов и асфальтенов битума. Основные свойства системы: эластичность, пластичность, морозостойкость и адгезия
к различным материалам определяются свойствами дисперсионной
среды, а теплостойкость и механическая прочность – свойствами дисперсной фазы.
Механизм взаимодействия полимера с битумом заключается
в том, что набухший в битумных маслах полимер создает в системе
непрерывную фазу в виде сетки – каркаса, заполненную в качестве
дисперсной фазы битумом, лишенным в процессе набухания части
масел [59].
Одним из первых полимерных модификаторов битумов были
каучуки, сначала природные, затем все виды синтетических. Модификация битумов эластомерами заключается в повышении температуры
размягчения, снижении хладотекучести, уменьшении зависимости пенетрации от температуры, снижении температуры хрупкости, способности к многократным эластичным деформациям, повышении дуктильности. В битумные материалы каучуки вводятся в виде крошек,
гранул, растворах в жидких углеводородах, порошков, латексов, дисперсий в неводной среде.
Вторая группа полимерных добавок – полиолефиновые полимеры – полиэтилен, полипропилен (их сополимеры и стереоизомеры),
поливинилацетат, поливинилхлорид. Их введение увеличивает прочность, когезию, сопротивление усталости, предотвращает образование
трещин, одновременно придает эластичность и уменьшает восприимчивость к колебаниям температуры.
Третья группа добавок – это полистирол и его сополимеры. На
их основе готовят формованные изделия.
Последняя группа полимерных добавок – уретановые олигомеры, которые при введении с последующим вспениванием дают возможность получать пенобитумы или пеноасфальты, обладающие высокой водо– и шумопоглощающей способностью.
Фосфазены – трифосфонитрилхлорид (ТФНХ) и полифосфонитрилхлорид (ПФНХ) являются эффективными модификаторами би-
47
, позволяющими расширить температурный интервал его эла-
тума
стично–пластического состояния. По данным исследований СанктПетербургского технологического института и Санкт-Петербургской
лесотехнической академии модуль упругости модифицированных ими
битумов позволяет рекомендовать их для получения негорючих покрытий высокого качества [60].
2.3. Модификаторы битумов: виды и свойства
К добавкам, конечной функцией которых является улучшение
качества дорожного асфальтобетонного покрытия, относятся:
– модификаторы битума;
– адгезионные присадки к битуму;
– стабилизаторы (волокнистые добавки);
– модификаторы асфальтобетонной смеси;
– структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь (ми-
неральный порошок).
В настоящее время в нашей стране и зарубежной практике для
устройства и ремонта дорожных покрытий при необходимости используются композиционные материалы на основе битума и модификаторов [55].
Добавки, целью применения которых является улучшение качества дорожного полотна, вводятся либо в битум, либо непосредственно в асфальтобетонную смесь. При этом, добавка определенного
типа может вводиться как в битум, так и в асфальтобетонную смесь в
двух различных технологических процессах.
К добавкам, вводимым в битум, относят:
– эластомеры (каучуки, этилен–пропиленовый, бутадиеновый
и др.);
– термопласты (полиэтилен, атактический полипропилен, сополимеры этилена: этилен-винилацетат - EVA, сополимер этилена и
акриловой кислоты - Elvaloy);
– термоэластопласты (блоксополимеры стирола – стирол–бутадиен–стирольный СБС (SBS); стирол–этилен–бутилен–стирольный –
СЭБС (SEBS), стирол–изопрен–стирольный – СИС (SIS);
– поверхностно–активные вещества;
48
– термоотверждающиеся смолы;
Термоэластопласты
– быстровысыхающие масла.
К добавкам, вводимым в асфальтобенонную смесь, относят:
– стабилизирующие добавки (на основе волокон);
– структурирующие (минеральные порошки);
– модификаторы на основе резиновой крошки (порошка);
– структурирующие и стабилизирующие.
Наиболее часто применяемыми в дорожном строительстве модифицирующими добавками для битума являются эластомеры, термопласты и термоэластопласты.
Под эластомерами понимают полимеры, обладающие в диапазоне эксплуатации высокоэластичными свойствами. К эластомерам,
применяемым в качестве модификаторов, относятся в основном синтетические каучуки различной физической формы (порошок, гранулы,
жидкость). Каучуками модифицируют как битум, так и асфальтобетонную смесь.
Термопласты – полимерные материалы, способные обратимо
переходить при нагревании в высокоэластичное, либо вязкотекучее
состояние.
Термоэластопласты (или термопластичные эластомеры) –
это класс синтетических полимеров, состоящих из твердых (термопластичных) и эластичных сегментов, сочетание которых обеспечивает
термоэластопластам одновременно высокую прочность и эластичность (рис. 2.2).
Прочность
(твердость)
Реактопласты
Термопласты
Эластомеры
Эластичность
Рис. 2.2. Модификаторы битумных вяжущих
49
этом варьирование соотношением термопластичных и
При
эластичных компонентов позволяет, как правило, добиваться степени выраженности у конечного материала свойств, присущих доминирующему сегменту. Это сочетание высокой прочности, присущей
пластмассам, и эластичности, свойственной эластомерам, наряду с
хорошими способностями к установлению перекрестных связей в составе различных смесей и регенерации, отличает термоэластопласты
от других классов полимеров – эластомеров (каучукоподобных), термопластов (пластмассы), реактопластов (смолы).
SBS –полимеры – это вид термоэластопластов, наиболее часто
применяемых для модификации дорожных и кровельных битумов.
Поверхностно–активные вещества предназначены для улуч-
шения адгезии битума с минеральной частью асфальтобетонной смеси. Находят применение анионные и катионные поверхностноактивные вещества.
Стабилизирующие добавки применяются для щебеночномастичной смеси. В данных добавках используются в основном два
типа волокон – целлюлозные и минеральные.
Применение смол для снижения склонности к пластической
текучести битума при низких температурах более характерно для
стран Европы и США. Речь идет, в первую очередь, об эпоксидной и
полиуретановой смолах.
Использование масел для предотвращения окисления также
чаще встречается в странах Запада. При модификации битума СБС
возможно добавление индустриального масла в качестве вспомогательного материала.
Помимо вышеуказанных добавок существуют другие комплексные решения. Например, «Duroflex WA–80» от компании Rub
Berlin GMBH, который вводится в асфальтобетонную смесь и представляет собой стирол–акрило–нитрильные сополимеры с целлюлозой
и полиэстером. Также к ним относятся такие решения как «Унирем» и
«КМА».
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]