13. Старение органических вяжущих и методы повышения стабильности

Органические вяжущие в процессе их работы в дорожных покрытиях подвергаются воздействию всего комплекса атмосферных факторов и с течением времени изменяют свои свойства.

По условиям, механического износа асфальтобетонные покрытия толщиной 4 см должны служить 30 - 40 лет, но нередко их разрушение происходит раньше (через 7 - 10 лет) за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств.

Процесс старения органических вяжущих прежде всего обусловливается испарением масел, которое зависит от температуры их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров, насыщающих пространство. Считается, что испаряются вещества с молекулярной массой ниже 400.

Вторым важным фактором старения органических вяжущих является химическое изменение их компонентов и образование новых веществ. Эти изменения в основном связаны с процессом окисления. Сам процесс окисления может ускоряться под действием многих факторов: теплового, солнечного света, механических воздействий и солей металлов переменной валентности — железа, меди, марганца и др.

В процессе старения битума происходит изменение группового состава сначала в результате испарения масел, затем накопления смол и асфальтенов и, наконец, превращения смол в асфальтены. Неразрывно с изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышается упругость, понижается пластичность, и, наконец, битумы становятся хрупкими. Влияние компонентного состава вяжущих на старение изучено недостаточно. Так, некоторые исследователи считают асфальтены наиболее устойчивыми к окислению, другие относят смолы и асфальтены к наименее устойчивым компонентам. Это объясняется тем, что высокомо­лекулярные соединения (смолы и асфальтены) в битуме содержат больше нена­сыщенных связей, обусловливающих их повышенную окисляемость. Существует мнение, что если содержание асфальтенов достигает 30 - 40 %. то битум переходит в такое хрупкое состояние, при котором покрытие разрушается.

Погодоустойчивость определяется путем длительной экспозиции битума под воздействием атмосферных факторов. Для ускоренного определения погодоустойчивости битумов применяется специальная установка, воспроизводящая естественные условия работы органических вяжущих в конструкциях (воздействие температуры, ультрафиолетовых лучей, кислорода и влаги).

14. Добавки, улучшающие свойства органических вяжущих

В связи с недостаточным количеством нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, а также для улучшения их свойств, в последнее время предложены различные добавки. Добавки, вводимые в относительно большом количестве, существенно влияющие на структуру и свойства получаемых вяжущих, называют композиционными, или комплексными. Наиболее распространенными комплексными вяжущими являются битумо-дегтевые, битумо-полимерные, дегте-битумо-полимерные.

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов и цепей), повышения их прилипания к каменным материалам (адгезии), пластичности при низких температурах, тепло и погодоустойчивости, снижения вязкости в их состав вводят соответствующие добавки в количестве до 20%.

Добавки могут классифицироваться по признакам (растворимости, способу введения и т. д.).

Разжижающие добавки вводят для понижения вязкости органических вяжущих в них. Чем ближе состав разжижителя к составу вяжущего материала, тем более гомогенные и стабильные будут растворы. Поскольку в подавляющем большинстве отечественных битумов и дегтей преобладают циклические и ароматические комплексы, то и разжижитель ароматического ряда будет при прочих равных условиях давать более стабильные растворы.

Для приготовление жидких битумов и дегтей применяют лигроин, керосин, нефть, мазут, жидкие крекинг-остатки, антраценовое масло. Оптимальное содержание разжижителя определяют в лаборатории в зависимости от требуемой вязкости: оно может колебаться от 2 до 50 %. Изменение вязкости зависит от состава вяжущего и разжижителя и содержания разжижителя.

Пластифицирующие добавки вводят для уменьшения хрупкости, снижения температуры стеклования и придания большей пластичности полимерам и органическим вяжущим.

Добавки, улучшающие прилипание, (адгезию) битума, вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь.

Активация битума выполняется для повышения адгезии битума к поверхности каменных материалов. Применяется также активация поверхности каменных материалов и активация битума в момент смешения его с минеральными материалами. Активация битума основана на положениях механохимии о возможности перехода механической энергии в химическую. На этом принципе основан способ активации битума ультразвуком. Обработка битума ультразвуком в течение 5 мин при частоте 15 - 35 кГц мощностью 50 - 60 Вт/см² повышает сцепление битума как с основными, так и с кислыми материалами.

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

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, крезота, 5 - 15 % фенольного пека или тяжелого каменноугольного масла.

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

Пластомерная добавка ЕVА (этилен-винил-ацетат) повышает пластичность, расширяет истинный интервал пластичности за счет положительной температуры.

Пластомерные добавки (ЕVА) рекомендуются для производства модифицированных дорожных битумов, применяемых для приготовления горячих асфальтобетонных смесей, укладываемых в верхние слои дорожных покрытий, устройства тонких защитных слоев, дренирующего асфальтобетона, поверхностной обработки, для приготовления битумных эмульсий, применяемых при выполнении названных работ.